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UNIVERSIDADE FEDERAL DO ESPÍRITO SANTO CENTRO TECNOLÓGICO

PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA AMBIENTAL

MARJORYE BOLDRINI DA SILVA

INFLUÊNCIA DO TIPO DE MEIO SUPORTE NO DESEMPENHO DE BIOFILTROS APLICADOS À REMOÇÃO DE H2S DO AR ATMOSFÉRICO EM SISTEMAS DE ESGOTO

SANITÁRIO

VITÓRIA 2008

II


INFLUÊNCIA DO TIPO DE MEIO SUPORTE NO DESEMPENHO DE BIOFILTROS APLICADOS À REMOÇÃO DE H2S DO AR ATMOSFÉRICO EM SISTEMAS DE ESGOTO

SANITÁRIO

Dissertação apresentada ao Programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Espírito Santo, como requisito parcial para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Ambiental, área de concentração em Saneamento Básico. Orientador: Profº Dr. Ricardo Franci Gonçalves.

VITÓRIA 2008

III

Dados Internacionais de Catalogação-na-publicação (CIP) (Biblioteca Central da Universidade Federal do Espírito Santo, ES, Brasil)

Silva, Marjorye Boldrini, 1982- S586i Influência do tipo de meio suporte no desempenho de biofiltros

aplicados à remoção de H2S do ar atmosférico em sistemas de esgoto sanitário / Marjorye Boldrini da Silva. – 2008.

156 f. : il. Orientador: Ricardo Franci Gonçalves. Dissertação (mestrado) – Universidade Federal do Espírito Santo,

Centro Tecnológico. 1. Filtros e filtração. 2. Ácido sulfidrico. 3. Esgotos. I. Gonçalves,

Ricardo Franci. II. Universidade Federal do Espírito Santo. Centro Tecnológico. III. Título.

CDU: 628

IV


INFLUÊNCIA DO TIPO DE MEIO SUPORTE NO DESEMPENHO DE BIOFILTROS APLICADOS À REMOÇÃO DE H2S DO AR

ATMOSFÉRICO EM SISTEMAS DE ESGOTO SANITÁRIO

Dissertação apresentada ao programa de Pós-Graduação em Engenharia Ambiental da Universidade Federal do Espírito Santo do Centro Tecnológico da Universidade Federal do Espírito Santo, como requisição parcial para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Ambiental.

Aprovada em 29 de fevereiro de 2008.

COMISSÃO EXAMINADORA

Profº. Dr. Ricardo Franci Gonçalves Universidade Federal do Espírito Santo Orientador

Profº. Dr. Neyval Costa Reis Júnior Universidade Federal do Espírito Santo Examinador Interno

Profº. Dr. Marco Antônio Almeida de Souza Universidade Federal de Brasília Examinador Externo

V

Ao meu pai e anjo da guarda,

a minha mãe Ana Leia e minhas irmãs

Marciley e Milena.

VI

Agradecimentos

À Deus pela oportunidade de viver a viagem que é a vida e pelo conforto nos momentos difíceis.

Ao meu Anjo da Guarda – meu Pai, por me proteger diariamente.

À minha mãe-fortaleza, pelo incentivo.

À minhas irmãs, Marciley e Milena, por toda colaboração, amizade

e torcida.

Ao meu anjo na Terra, Geovani, por cuidar de mim e estar sempre disponível a ajudar.

Ao professor Ricardo, pela oportunidade, confiança e orientação.

Aos professores Marco Antônio e Neyval, por enriquecerem ainda

mais o meu trabalho.

A amiga Érika, por me ensinar que sempre há tempo para ajudar um amigo e por toda ajuda ao longo dessa caminhada conjunta.

À irmãs de ETE e amigas diárias: Fernanda Bastos, Priscilla,

Camila, Janine, Laila, Mônica, Renata e Thaís. Nunca esquecerei vocês!

A Vanessa Cesário, pela ajuda com as análises e pelo

companheirismo.

Aos amigos: Patrícia Lee, Dilkerson, Patrícia Basseto, Larisse, Eduardo, Amaury, Carol, Josi, Natália, Pedro, Fernando, Dani Buzzi, Paulo Caliari.

A Daniel Tasaico, por me ajudar a entrar e a sair do mestrado, mas

principalmente, por ser meu amigo.

Ao grupo da Poluição Atmosférica: Leandro, Wesley, Geovane, Jane e Camila.

Ao Paulo Edgar e Lima, da Companhia Siderúrgica de Tubarão,

pela ajuda nas análises.

VII

Ao Miguel do Laboratório de Solos, por me ensinar as análises e estar disponível a ajudar.

A Cristina, pelos momentos de desabafo e palavras de otimismo.

Aos colaboradores: Gabriel, Fabiano e Raffael.

A todos os amigos do LABSAN e do PPGEA que contribuíram com

meu crescimento pessoal e profissional.

Aos professores Kelly e Sérvio Túlio, por me iniciarem na área de pesquisa.

Ao Núcleo água pelo suporte dado a esta pesquisa.

Ao FACITEC pelo apoio financeiro concedido.

Ao CNPq pela bolsa de estudos.

VIII

“Porque melhor é a SABEDORIA do

que as jóias, e de tudo o que se

deseja nada se pode comparar a ela.”

Provérbios 8:11

IX

Sumário

RESUMO ................................................................................................................. XII ABSTRACT ............................................................................................................ XIII LISTA DE FIGURAS .............................................................................................. XIV LISTA DE QUADROS ............................................................................................ XVII LISTA DE TABELAS ............................................................................................ XVIII LISTA DE SIGLAS .................................................................................................. XX LISTA DE SÍMBOLOS .......................................................................................... XXII 1. INTRODUÇÃO ........................................................................................... 23 2. OBJETIVOS .............................................................................................. 252.1 Objetivo Geral ............................................................................................ 252.2 Objetivos Específicos ................................................................................. 25 3. REVISÃO BIBLIOGRÁFICA ..................................................................... 263.1 Odor ........................................................................................................... 26 3.1.1 Principais Compostos Odorantes ..................................................... 27 3.1.2 Reclamações contra Maus Odores ................................................... 28 3.2.3 Principais Fontes de Odor ................................................................ 29 3.14 Efeito dos Compostos Odorantes ...................................................... 313.2 Compostos Odorantes em Águas Residuárias .......................................... 323.3 Ácido Sulfídrico .......................................................................................... 35 3.3.1 O Ciclo do Enxofre ............................................................................ 37 3.3.2 Redução Dissimilatória do Sulfato .................................................... 38 3.3.3 Efeitos do Ácido sulfídrico na Saúde ................................................ 40 3.3.4 Oxidação de Sulfeto de hidrogênio e Enxofre por Microorganismos. 423.4 Quantificação das Emissões Odorantes .................................................... 43 3.4.1 Medidas de Amostragem Direta ....................................................... 43 3.4.2 Estimativa da Taxa de Emissão ........................................................ 46 3.4.3 Modelo GPC ..................................................................................... 463.5 Controle dos Odores .................................................................................. 47 3.5.1 Materiais para Cobertura .................................................................. 473.6 Processos de Tratamento de Odores ........................................................ 50 3.6.1 Processos Físicos ............................................................................. 51 3.6.2 Processos Químicos ......................................................................... 52 3.6.3 Processos Biológicos ........................................................................ 55 3.6.3.1 Biofiltração ..................................................................................... 56 3.6.3.2 Biopercolação ................................................................................ 58 3.6.3.3 Lavadores Químicos ...................................................................... 603.7 Biofiltro ....................................................................................................... 62 3.7.1 Materiais Suportes para os Biofiltros ................................................ 65 3.7.1.1 Solo ................................................................................................ 65 3.7.1.2 Bagaço de Cana ............................................................................ 66 3.7.1.3 Palha de Café ................................................................................ 67 3.7.2 Dimensionamento de Biofiltros ......................................................... 68 4. MATERIAL E MÉTODOS .......................................................................... 71

X

4.1 Generalidades ............................................................................................ 714.2 Estação de Tratamento de Esgoto Experimental da UFES ....................... 714.3 Plano Experimental .................................................................................... 724.4 Monitoramento da Taxa de Emissão do H2S ............................................. 73 4.4.1 Monitoramento Empírico ................................................................... 73 4.4.2 Avaliação da Taxa de Emissão de H2S na EE Observada e

Estimada pelo modelo GPC ....................................................................... 76

4.5 Monitoramento dos Biofiltros ..................................................................... 774.6 Etapa I (sem coluna umidificadora, Cv=1,07gH2S/m3.d, Tr=37,68s) .......... 80 4.6.1 Aparato Experimental ....................................................................... 80 4.6.2 Monitoramento .................................................................................. 824.7 Etapa II (com coluna umidificadora, Cv=1,2gH2S/m3.d, Tr=37,68s) ........... 82 4.7.1 Aparato Experimental ....................................................................... 82 4.7.2 Monitoramento .................................................................................. 844.8 Etapa III (com coluna umidificadora, Cv=0,73gH2S/m3.d, Tr=25,12s) ........ 85 4.8.1 Aparato Experimental ....................................................................... 85 4.8.2 Monitoramento .................................................................................. 864.9 Etapa IV (com coluna umidificadora, Cv=4,04gH2S/m3.d, Tr=12,56s) ....... 86 4.9.1 Aparato Experimental ....................................................................... 86 4.9.2 Monitoramento .................................................................................. 874.10 Análise dos Resultados ............................................................................. 87 5. RESULTADOS E DISCUSSÃO ................................................................ 905.1 Monitoramento da Taxa de Emissão do H2S na EE .................................. 90 5.1.1 Monitoramento Empírico ................................................................... 90 5.1.2 Avaliação da Taxa de Emissão de H2S na EE Observada e

Estimada pelo modelo GPC ....................................................................... 92

5.2 Caracterização dos Leitos Filtrantes .......................................................... 94 5.2.1 Caracterização Física ....................................................................... 94 5.2.2 Caracterização Química ................................................................... 955.3 Monitoramento dos Biofiltros – Histórico ................................................... 975.4 Etapa I (sem coluna umidificadora, Cv=1,07gH2S/m3.d, Tr=37,68s) .......... 99 5.4.1 Monitoramento do H2S ...................................................................... 105 5.4.2 Monitoramento da Temperatura Ambiente ....................................... 1065.5 Etapa II (com coluna umidificadora, Cv=1,2gH2S/m3.d, Tr=37,68s) ........... 106 5.5.1 Monitoramento do H2S ...................................................................... 111 5.5.2 Análise Cromatográfica ..................................................................... 112 5.5.3 Monitoramento da Temperatura Ambiente ....................................... 1135.6 Etapa III (com coluna umidificadora, Cv=0,73gH2S/m3.d, Tr=25,12s) ........ 118 5.6.1 Monitoramento do H2S ...................................................................... 118 5.6.2 Monitoramento da Temperatura Ambiente ..................................... 1185.7 Etapa IV (com coluna umidificadora, Cv=4,04gH2S/m3.d, Tr=12,56s) ....... 122 5.7.1 Monitoramento do H2S ...................................................................... 123 5.7.2 Monitoramento da Temperatura Ambiente ....................................... 1205.8 Monitoramento das Colunas Umidificadoras ............................................. 1215.9 Avaliação do Desempenho dos Biofiltros nas Diferentes Cargas

Aplicadas ................................................................................................... 1245.10 Comparação com Outros Trabalhos .......................................................... 1265.11 Alterações nos Materiais Filtrantes ............................................................ 128

XI

6. CONCLUSÕES .......................................................................................... 131 7. RECOMENDAÇÕES ................................................................................. 133 8. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ......................................................... 134 9. ANEXOS .................................................................................................... 143

XII

RESUMO As emissões de odor afetam a qualidade de vida, promovendo o stress psicológico

através de sintomas tais como insônia, perda de apetite e mudança de

comportamento. Os odores emitidos em Estações de Tratamento de Esgotos (ETE)

são produzidos pela degradação biológica dos constituintes do esgoto doméstico

devido à atividade anaeróbia. Dentre os compostos produzidos destaca-se o ácido

sulfídrico, que é muito utilizado como indicador. O H2S é um gás que apresenta uma

longa lista de inconvenientes: é tóxico, mal-odorante (odor de ovo podre) e é

extremamente corrosivo em atmosfera úmida. Existem muitas opções de tratamento

de odores, dentre elas, a biofiltração mostra-se como uma tecnologia barata e

simples. De posse de tal constatação, esta pesquisa propõe um estudo sobre a

composição de biofiltros tratando a atmosfera de uma estação elevatória e a

avaliação da taxa de emissão de H2S observada e estimada por modelo matemático.

A principal meta foi comparar materiais naturais distintos para leito filtrante, e avaliar

a eficiência de remoção do H2S obtida pelos biofiltros. Os materiais utilizados no

preenchimento foram: solo, bagaço de cana e palha de café+lodo anaeróbio

desaguado. A pesquisa foi dividida em 4 etapas, a I sem coluna umidificadora e a II,

III, e IV com coluna umidificadora preenchida com água a um pH 9,0. As condições

operacionais avaliadas foram: Etapa I (Cv=1,07g/m3.d e Tr=37,7s); Etapa II

(Cv=1,2g/m3.d e Tr=37,7s); Etapa III (Cv=0,73g/m3.d e Tr=25,12s) e Etapa IV

(Cv=4,04g/m3.d e Tr=12,56s). O estudo da taxa de emissão observada foi feito com a

metodologia de câmara de fluxo e o valor médio encontrado foi 0,6mg/m2.h. A

modelagem foi feita com o GPC, mas encontrou um erro relativo igual a 1092%. As

eficiências de remoção encontradas nas etapas foram, respectivamente, para o

biofiltro de solo, cana e café: Etapa I = 91, 73 e 66%; Etapa II = 88, 79 e 90%; Etapa

III =89, 91 e 91% e Etapa IV = 74, 71 e 88%. A caracterização dos materiais mostrou

que, em termos de porosidade, presença de nutrientes e teor de umidade, os

materiais são próprios para o tipo de uso proposto. A menor eficiência obtida na

primeira etapa deve-se a ausência das colunas umidificadoras, ocorrendo o

ressecamento dos materiais dentro do biofiltro. Após análise da concentração do

H2S antes e após a passagem do ar dentro dessas colunas, verificou-se que não

havia remoção do poluente nesse percurso do fluxo de ar.

XIII

ABSTRACT The odor emissions affect the quality of life, promoting psychological stress through

symptoms such as sleeplessness, appetite loss and change of behavior. Odors

emitted in Wastewater Treatment Plants (WWTP) are produced by the biological

degradation of the constituents of domestic sewer, due to anaerobic activity.

Amongst the produced composites are distinguished the sulfidric gas, that is very

used as an indicator. The H2S is a gas that presents a long list of inconveniences: it

is toxic, bad-odorant (rotten egg odor) and is extremely corrosive in humid

atmosphere. There exists many options of odor treatment; amongst them the bio-

filtration reveals as a cheap and simple technology. Due to such fact, this research

proposes a study of the composition of bio-filters treating the atmosphere of a

pumping station and the evaluation of the emission rate of H2S observed and

estimated by mathematical model. The main goal was to compare different natural

materials for the filter bed, and to evaluate the efficiency of removal of the H2S

obtained by the bio-filters. The materials used in the filling were: soil, sugar cane

bagasse and coffee straw + dewatered anaerobic sludge. The research was divided

in four stages: the first one without humidification column, and the II, III, and IV with

humidification column filled with water with pH 9,0. The evaluated operational

conditions were: Stage I (Cv=1,07g/m3.d and Tr=37,7s); Stage II (Cv=1,2g/m3.d and

Tr=37,7s); Stage III (Cv=0,73g/m3.d and Tr=25,12s) and Stage IV (Cv=4,04g/m3.d

and Tr=12,56s). The study of the emission rate observed was made with the flow

chamber methodology and the average value found was 0,6mg/m2.h, the modeling

was made with the GPC and was found a relative error equal to 387%. The removal

efficiencies found in the stages were, respectively, for the bio-filter of soil, sugar cane

and coffee: Stage I = 91, 73 e 66%; Stage II = 88, 79 e 90%; Stage III =89, 91 e 91%

e Stage IV = 74, 71 and 88%. The characterization of the materials showed that, in

terms of porosity, presence of nutrients and humidity, the materials are proper for the

proposed kind of use. The smaller efficiency obtained in the first stage is caused by

the absence of the humidification columns, occurring the drying of the materials

inside the bio-filter. After analysis of the concentration of H2S before and after the

passage of air inside these columns, it was verified that there was no removal of the

pollutant in this passage of the air flow.

XIV

LISTA DE FIGURAS

Figura 3.1 - Seqüências metabólicas e grupos microbianos envolvidos na digestão anaeróbia (com redução de sulfato)...........................

33

Figura 3.2 - Diagrama de distribuição para o H2S (T=25ºC)........................ 36

Figura 3.3 - O ciclo do enxofre .................................................................... 38

Figura 3.4 - Espectro de toxicidade do gás sulfídrico .................................. 41

Figura 3.5 - Mecanismos biológicos para eliminar H2S e NH3 .................... 57

Figura 3.6 - Esquema de um “Trickling biofilter”........................................... 59

Figura 3.7 - Esquema de um “Bioscrubbers” ............................................... 60

Figura 3.8 - Esquema de um biofiltro fechado ............................................. 63

Figura 3.9 - Esquema de um biofiltro aberto preenchido com solo ............. 63

Figura 3.10 - Esquema de umidificação utilizado por Wani (1998) ............... 64

Figura 3.11 - Esquema de umidificação utilizado por McNevin (2000) ......... 64

Figura 3.12 - Esquema de umidificação utilizado por Morgan-Sagastume (2005) ....................................................................................... 64

Figura 3.13 - Esquema de umidificação utilizado por Mohseni (2000) .......... 64

Figura 3.14 - Esquema de umidificação utilizado por Otten (2004) .............. 64

Figura 3.15 - Esquema de umidificação utilizado por Delhoménie (2002) .... 64

Figura 3.16 - Princípio de dimensionamento de unidades de filtração .......... 69

Figura 4.1 - Estação de Tratamento de Esgoto da UFES ........................... 71

Figura 4.2 - Esquema básico da metodologia da Câmara de fluxo ............. 74

Figura 4.3 - Câmara de fluxo construída sobre a elevatória ....................... 75

Figura 4.4 - Saída da câmara ...................................................................... 76

Figura 4.5 - Medidor portátil de H2S ............................................................ 76

Figura 4.6 - Esquema do biofiltro ................................................................ 78

Figura 4.7 - Materiais orgânicos utilizados como leitos filtrantes ................ 79

Figura 4.8 - Esquema do sistema desodorizador – etapa I ......................... 81

Figura 4.9 - Fotografia do compressor conectado a câmara ....................... 81

Figura 4.10 - Fotografia dos biofiltros ............................................................ 81

Figura 4.11 - Esquema do sistema desodorizador – etapa II ........................ 83

Figura 4.12 - O sistema desodorizador coluna umidificadora + biofiltro – três unidades ............................................................................ 83

Figura 4.13 - O sistema desodorizador coluna umidificadora + biofiltro – detalhe ..................................................................................... 83

XV

Figura 4.14 - Fotografia do sistema desodorizador coluna umidificadora + biofiltro ...................................................................................... 84

Figura 4.15 - Gráfico de “box-plot” ................................................................ 88

Figura 5.1 - Série histórica de temperatura dentro da câmara .................... 90

Figura 5.2 - Medidas da taxa de emissão de H2S ....................................... 91

Figura 5.3 - Taxa de emissão de H2S observada e estimada pelo GPC ..... 92

Figura 5.4 - Medições feitas no biofiltro de solo em todas as etapas .......... 98

Figura 5.5 - Medições feitas no biofiltro de bagaço de cana em todas as etapas ...................................................................................... 98

Figura 5.6 - Medições feitas no biofiltro de palha de café + lodo em todas as etapas ................................................................................. 98

Figura 5.7 - Monitoramento de H2S no biofiltro de solo – etapa I ................ 100

Figura 5.8 - Monitoramento de H2S no biofiltro de cana – etapa I ............... 100

Figura 5.9 - Monitoramento de H2S no biofiltro de café – etapa I ................ 100

Figura 5.10 - Eficiência de remoção no biofiltro de solo - etapa I ................. 102

Figura 5.11 - Eficiência de remoção no biofiltro de cana – etapa I ............... 102

Figura 5.12 - Eficiência de remoção no biofiltro de café – etapa I ................ 103

Figura 5.13 - Eficiência de remoção nos três biofiltros – etapa I ................... 103

Figura 5.14 Dispersão dos dados de concentração do H2S na entrada e saídas – etapa I ........................................................................ 104

Figura 5.15 - Acompanhamento da temperatura ambiente - etapa I ............. 105

Figura 5.16 - Monitoramento de H2S no biofiltro de solo – etapa II ............... 106

Figura 5.17 - Monitoramento de H2S no biofiltro de cana – etapa II .............. 106

Figura 5.18 - Monitoramento de H2S no biofiltro de café – etapa II ............... 106

Figura 5.19 - Eficiência de remoção no biofiltro de solo - etapa II ................ 108

Figura 5.20 - Eficiência de remoção no biofiltro de cana – etapa II .............. 108

Figura 5.21 - Eficiência de remoção no biofiltro de café – etapa II ............... 109

Figura 5.22 - Eficiência de remoção nos três biofiltros – etapa II .................. 109

Figura 5.23 - Dispersão dos dados de concentração do H2S na entrada e saídas - etapa II ....................................................................... 110

Figura 5.24 - Acompanhamento da temperatura no ambiente – etapa II ...... 113

Figura 5.25 - Monitoramento de H2S no biofiltro de solo – etapa III .............. 114

Figura 5.26 Monitoramento de H2S no biofiltro de cana – etapa III ............. 114

Figura 5.27 Monitoramento de H2S no biofiltro de café – etapa III .............. 114

Figura 5.28 Eficiência de remoção no biofiltro de solo – etapa III ............... 115

Figura 5.29 Eficiência de remoção no biofiltro de cana – etapa III ............. 116

Figura 5.30 Eficiência de remoção no biofiltro de café – etapa III .............. 116

XVI

Figura 5.31 Eficiência de remoção nos três biofiltros – etapa III ................. 116

Figura 5.32 Dispersão dos dados de concentração do H2S na entrada e saídas - etapa III ...................................................................... 117

Figura 5.33 Acompanhamento da temperatura ambiente – etapa III .......... 118

Figura 5.34 Monitoramento de H2S no biofiltro de solo – etapa IV ............. 119

Figura 5.35 Monitoramento de H2S no biofiltro de cana – etapa IV ............ 119

Figura 5.36 Monitoramento de H2S no biofiltro de café – etapa IV ............. 119

Figura 5.37 Dispersão dos dados de concentração do H2S na entrada e saídas – etapa IV ..................................................................... 120

Figura 5.38 Eficiência de remoção no biofiltro de solo - etapa IV ............... 121

Figura 5.39 Eficiência de remoção no biofiltro de cana – etapa IV ............. 121

Figura 5.40 Eficiência de remoção no biofiltro de café – etapa IV .............. 121

Figura 5.41 Eficiência de remoção nos três biofiltros – etapa IV ................ 122

Figura 5.42 Acompanhamento da temperatura ambiente – etapa IV ......... 122

Figura 5.43 Concentração de H2S na entrada e nas saídas das colunas umidificadoras - etapa II ........................................................... 123

Figura 5.44 Eficiência de remoção com todas as etapas – filtro de solo .... 125

Figura 5.45 Relação da carga aplicada e da concentração de H2S na saída – filtro de solo ................................................................. 125

Figura 5.46 Eficiência de remoção com todas as etapas – filtro de cana ... 125

Figura 5.47 Relação da carga aplicada e da concentração de H2S na saída – filtro de cana ................................................................

125

Figura 5.48 Eficiência de remoção com todas as etapas – filtro de café .... 125

Figura 5.49 Relação da carga aplicada e da concentração de H2S na saída – filtro de café ................................................................. 125

XVII

LISTA DE QUADROS

Quadro 3.1 - Exemplos de compostos odorantes e seu odor percebido......... 27

Quadro 3.2 - Reações de oxidação do ácido sulfídrico................................... 42

Quadro 3.3 - Comparação de custo de vários materiais ................................ 49

Quadro 3.4 - Principais processos e tipos de plantas para desodorização de ar................................................................................................ 51

Quadro 3.5 - Velocidade de biodegradação segundo função química do composto.................................................................................... 56

Quadro 3.6 - Vantagens e desvantagens de bioreatores para o tratamento de odor....................................................................................... 61

Quadro 3.7 - Parâmetros de dimensionamento e avaliação do meio de enchimento dos biofiltros............................................................ 68

Quadro 4.1 - Parâmetros analisados no esgoto e suas respectivas metodologias ............................................................................. 76

Quadro 4.2 - Metodologias utilizadas na caracterização dos leitos filtrantes . 79

Quadro 4.3 - Estatísticas básicas de uma amostra ........................................ 88

XVIII

LISTA DE TABELAS

Tabela 3.1 - Concentrações de H2S e NH3 nas estações de tratamento de esgoto sanitário ...................................................................... 30

Tabela 3.2 - Composição característica do biogás ....................................... 30

Tabela 3.3 - Valores limite de exposição dos trabalhadores ao NH3, H2S e CH3SH ..................................................................................... 32

Tabela 3.4 - Principais compostos odorantes e suas características, encontrados em estações de tratamento de águas residuárias ............................................................................... 34

Tabela 3.5 - Estado de oxidação do enxofre em vários compostos ............ 37

Tabela 3.6 - Faixa de vazão e concentração para várias tecnologias ........ 62

Tabela 3.7 - Parâmetros de dimensionamento de biofiltros – faixa de recomendação ......................................................................... 69

Tabela 4.1 - Características médias do esgoto afluente à ETE-UFES ....... 72

Tabela 4.2 - Resumo do plano experimental ............................................... 73

Tabela 4.3 - Parâmetros de funcionamento dos biofiltros – etapa I ............ 82

Tabela 4.4 - Quantidade de material utilizada na montagem dos biofiltros – etapa I .................................................................................. 82

Tabela 4.5 - Quantidade de material utilizado na montagem dos biofiltros – etapa II ................................................................................. 85

Tabela 4.6 - Parâmetros de funcionamento dos biofiltros – etapa III .......... 86

Tabela 4.7 - Parâmetros de funcionamento dos biofiltros – etapa IV .......... 87

Tabela 5.1 - Resumo das temperaturas dentro da câmara ......................... 90

Tabela 5.2 - Estatística descritiva dos dados do monitoramento da taxa de emissão de H2S .................................................................. 91

Tabela 5.3 - Relação da taxa de emissão do H2S com outros autores ....... 91

Tabela 5.4 - Estatística do estudo de comparação da emissão observada e estimada ............................................................................... 92

Tabela 5.5 - Erro percentual em estudo de Soszynski (1997) .................... 93

Tabela 5.6 - Caracterização física dos materiais filtrantes .......................... 94

Tabela 5.7 - Características físicas recomendadas ou encontradas por outros pesquisadores .............................................................. 94

Tabela 5.8 - Tempo de detenção real dos biofiltros (Treal) .......................... 95

Tabela 5.9 - Resumo granulométrico dos materiais filtrantes (%) ............... 95

Tabela 5.10 - Caracterização química dos materiais filtrantes ...................... 96

Tabela 5.11 - Características químicas recomendadas ou encontradas por outros pesquisadores .............................................................. 96

Tabela 5.12 - Teor de macro e micronutrientes nos materiais no solo ......... 97

Tabela 5.13 - Teor de macro e micronutrientes nos materiais na cana e no café + lodo ............................................................................... 97

XIX

Tabela 5.14 - Estatística descritiva da etapa I – resultados em ppb de H2S . 101

Tabela 5.15 - Análise de variância – etapa I ................................................. 104

Tabela 5.16 - Resumo dos resultados de registro da temperatura ambiente – etapa I .................................................................................. 105

Tabela 5.17 Faixa de temperatura recomendada para meio suporte ......... 105

Tabela 5.18 Estatística descritiva da etapa II – resultados em ppb de H2S 107

Tabela 5.19 Análise de variância – etapa II ................................................ 110

Tabela 5.20 Resumo dos resultados da análise cromatográfica – etapa II 111

Tabela 5.21 Resumo dos resultados de registro da temperatura ambiente – etapa II ................................................................................. 113

Tabela 5.22 Estatística descritiva da etapa III – resultados em ppb de H2S 115

Tabela 5.23 Resumo dos resultados de registro da temperatura ambiente – etapa III ................................................................................ 118

Tabela 5.24 Estatística descritiva da etapa IV– resultados em ppb de H2S 120

Tabela 5.25 Resumo dos resultados de registro da temperatura ambiente – etapa IV ................................................................................ 123

Tabela 5.26 Análise de sulfeto na água das colunas .................................. 124

Tabela 5.27 Desempenho desta pesquisa e de outros trabalhos ............... 127

Tabela 5.28 Alterações dos materiais entre as etapas da pesquisa ........... 128

Tabela 5.29 Teor de C e N encontrados por Matos (1998) ......................... 129

XX

LISTA DE SIGLAS

ABNT Associação Brasileira de Normas e Técnicas AP-42 Modelo de emissão da U.S EPA APHA American Public Health Association ATDSR Agency for Toxic Substances and Disease Registry BASTE Modelo de emissão para ETE BF Biofiltro BRS Bactérias redutoras de sulfato CaSO4 Sulfato de cálcio CG Cromatografia gasosa CH4 Metano Cl- Cloreto Cl2 Gás cloro CO2 Gás carbônico / dióxido de carbono Corsan Companhia Riograndense de Saneamento EE Estação Elevatória EPA Environmental Protect Agency ETE Estação(ões) de Tratamento de Esgoto

ETE-UFES Estação de Tratamento de Esgotos da Universidade Federal do Espírito Santo

FACITEC Fundo de Apoio a Ciência e Tecnologia do Município de Vitória FBAS Biofltro Aerado Submerso Fe Ferro FeS Sulfeto ferroso FeS2 Sulfeto ferroso FRP Fibra reforçada de plástico

GPC Modelo de Emissão baseado no modelo de Gostelow, Parsons e Cobb (2001)

H2 Gás hidrogênio H2O Água H2O2 Peróxido de hidrogênio / água oxigenada H2S Ácido sulfídrico HCl Ácido Clorídrico HgCl2 Cloreto de mercúrio HOCl Hipoclororito HS- Íon sulfidril HS- Íon sulfidril KMnO4 Permanganato de potássio LABSAN Laboratório de Saneamento da Universidade Federal do Espírito

Santo MnO2 Dióxido de manganês MS Espectrômetro de massa NAC Nível admissível de concentração NADH Nicotinamida adenina dinucleotídeo NBR Norma Brasileira Registrada NH3 Gás amônia NH4

+ Íon amônio NO2 Íon nitrito

XXI

NO3- Íon nitrato

NP Norma Portuguesa O2 Gás oxigênio O3 Ozônio OD Oxigênio Dissolvido OH- Hidroxila pH Potencial hidrogeniônico PM Peso molecular PROSAB Programa de Pesquisa em Saneamento Básico RAC Reator Anaeróbio Compartimentado RDS Redução dissimilatória de sulfato S Enxofre S2O3

2= Íon tiossulfato SO2 Dióxido de enxofre SO3

2= Íon sulfito SO4

= Íon sulfato TOXCHEM+ Modelo de emissão para sistemas de coleta e tratamento de esgotos

UASB Reator Anaeróbio de Manta de Lodo e Fluxo Ascendente – upflow anaerobic sludge blanket

UFES Universidade Federal do Espírito Santo VCP Valor de concentração perigosa VIC Compostos inorgânicos voláteis VLE-CP Valor limite de exposição por curto período VOC Compostos orgânicos voláteis WATER 8 Modelo de emissão da U.S. EPA

XXII

LISTA DE SÍMBOLOS

% porcentagem µg micrograma C0 concentração do contaminante no afluente (mg L-1) Cv carga volumétrica (g/m3.d) DL,i difusividade molecular da espécie i na água (cm2 s-1) DL,O2 difusividade molecular do oxigênio na água (cm2 s-1) g gramas H constante da lei de Henry Hc constante da lei de Henry (adimensional) K constante da lei de Henry (atm) Ka constante de acidez kG coeficiente de transferência de massa da fase gasosa (m s-1) kL coeficiente de transferência de massa da fase líquida (m s-1) Kps produto de solubilidade L litros m2 metros quadrados m3 metros cúbicos mg miligramas ºC graus Celsius p pressão parcial do gás (atm) ppb partes por bilhão ppm partes por milhão Q vazão volumétrica de esgoto (m3 s-1) r razão entre déficit (adimensional) rO2 razão entre déficit de oxigênio (adimensional) Rv taxa de remoção do contaminante por volatilização (g s-1) s segundos T temperatura Tr tempo de retenção (s) x fração molar do gás Z altura (m)

ψ

razão entre coeficientes de transferência de massa global para duas espécies químicas (adimensional)

1.Introdução 23

___________________________________________________________________________

1. Introdução A emissão de odor é a principal preocupação em relação a instalação de Estações

de Tratamento de Esgoto (ETE) em regiões urbanas (SULIVAN, 1969). O número de

reclamações de emissões de odor é crescente e devido a várias razões, tais como:

crescimento das cidades ao redor das ETE; aumento da consciência ambiental do

público, legislação ambiental exigindo melhoramento dos sistemas de tratamento de

esgoto (instalados em novos projetos); racionalização do uso da água, etc.

Nos EUA, Europa e Japão, a resistência à instalação de novas ETE é acentuada

pelo efeito NIMBY (“not in my back yard” - não em meu quintal), que se refere a não

concordância da instalação de indústrias em área residencial. A comunidade parece

menos inclinada com o passar do tempo a suportar a convivência com odores

adversos, e não admite ter próximo à sua residência uma ETE.

As emissões de odor afetam a qualidade de vida, promovendo o stress psicológico

após o aparecimento de sintomas como insônia, perda de apetite e mudança de

comportamento (WILSON et al, 1980). Além disso, causam prejuízos nas estruturas

próximas, como a corrosão de materiais metálicos e entupimento de redes, também

podem potencializar a ocorrência de chuva ácida devido a presença de gases

ácidos.

Para conter os gases odorantes que são emitidos por diversas etapas de um

processo - de produção ou de tratamento - é comum utilizar coberturas de tal forma

que os odores que são liberados podem ser eficientemente capturados e

bombeados para um adequado sistema de tratamento, antes da liberação para o

ambiente.

Existem três diferentes processos unitários, os físicos, os químicos e os biológicos

que podem ser usados para desodorização de ar contaminado, resultando em

diferentes tecnologias. Os processos físicos se baseiam na transferência do

poluente de um estado físico para outro, já os processos químicos fundamentam-se

1.Introdução 24

___________________________________________________________________________

em reações de oxidação ou formação de precipitados. Os processos biológicos de

tratamento de gases consistem na transferência dos compostos voláteis para uma

fase líquida e, em seguida, na degradação, por meio de microrganismos.

Dentre os processos biológicos de desodorização, as tecnologias mais utilizadas são

os biolavadores, os biopercoladores e os biofiltros. Os primeiros são constituídos de

dois elementos: um contactador gás/líquido e um reator biológico/decantador, não

dispondo de um meio suporte para a fixação dos microorganismos. Os

biopercoladores se caracterizam pela presença de meio suporte contendo

microorganismos e pela circulação contínua de uma fase líquida, a favor ou contra

corrente ao ar. Os biofiltros são mais simples, contendo apenas material suporte

(sintético ou natural) enriquecido com microorganismos.

Os biofiltros são fáceis de projetar e construir e são, também, relativamente baratos.

O meio suporte deve ter como requisito básico suficiente porosidade e uniformidade

de tamanho das partículas, grande área superficial e habilidade para suportar a

microflora. O solo tem sido muito utilizado em biofiltros em todo o mundo e o

emprego de material proveniente de compostagem tem crescido consideravelmente

nos últimos anos.

O desempenho de um biofiltro depende, dentre alguns fatores, das características

do seu meio suporte. Daí nasce a importância de se estudar materiais que possam

preencher os requisitos necessários a proporcionar uma boa eficiência de remoção

do poluente. Uma tecnologia será mais aplicada se ela oferecer alternativas que

permitam adequá-la melhor a cada realidade.

Diante desse contexto, este trabalho buscou estudar materiais alternativos para

composição do leito de biofiltro na desodorizadorização de atmosfera contendo

ácido sulfídrico. Considerando características como disponibilidade no mercado,

abundância, custo e a presença de nutrientes, avaliou-se a remoção de ácido

sulfídrico por meio de filtros preenchidos com solo, bagaço de cana e palha de café

enriquecida com lodo de esgoto.

2.Objetivos 25

___________________________________________________________________________

2. Objetivos

2.1 Objetivo Geral

Estudar a influência do tipo de meio suporte e das condições operacionais no

desempenho de biofiltros aplicados na remoção de gás sulfídrico da atmosfera em

sistemas de esgotos sanitários.

2.2 Objetivos Específicos

Avaliar teoricamente e empiricamente a intensidade de emissão de gás sulfídrico

(H2S) na Estação Elevatória da ETE-UFES.

Estudar comparativamente o desempenho de três biofiltros dotados de diferentes

meios suporte na remoção de H2S presente no ar da Estação Elevatória-UFES.

Estudar as alterações das características dos materiais ao longo de sua utilização

como meio suporte.

Definir parâmetros de dimensionamento de biofiltros desodorizadores com meio

suporte alternativo.

3.Revisão Bibliográfica 26

___________________________________________________________________________

3. Revisão Bibliográfica

3.1 Odor

Odor é resultante da recepção de estímulos pelo sistema olfativo. Substâncias que

disparam o sentido de olfato são conhecidas como odorantes. O epitélio olfativo,

localizado no nariz, é capaz de detectar e discriminar odores diferentes, entre

milhares deles. Pode também perceber algumas substâncias em concentrações tão

baixas que, sequer, são detectadas por muitos instrumentos disponíveis atualmente

(ASCE e WEF, 1995).

Os diferentes odores são provenientes de misturas complexas de moléculas

orgânicas ou minerais voláteis com propriedades físico-químicas diferentes (BELLI

FILHOa, 2000).

O odor é usualmente caracterizado com base em detecção, intensidade, qualidade e

aceitabilidade (EPA, 2001):

• Detecção: refere-se à mínima concentração necessária para estimular

alguma percentagem específica na população testada. Em geral, a

percentagem considerada é de 50% das pessoas.

• Intensidade: refere-se à força ou magnitude da sensação de odor. A

intensidade aumenta em função da concentração da substância

odorante.

• Qualidade: é expressa em palavras, que descrevem o cheiro da

substância.

• Aceitabilidade: é uma categoria relativa como gostar e não gostar, ser

agradável ou desagradável. Essa dimensão pode ter uma grande

amplitude de variação, desde muito agradável até insuportável.


___________________________________________________________________________

3.1.1 Principais compostos odorantes

Muitas das substâncias geradoras de odor apresentam-se no estado gasoso, sob

condições atmosféricas normais, ou têm uma volatilidade significativa. Os pesos

moleculares destas substâncias geralmente estão na faixa de 30 até 150 g/mol.

Usualmente, quanto mais baixo é o peso molecular de um composto mais alta é a

sua pressão de vapor, resultando em maior potencial de emissão para a atmosfera.

Substâncias de alto peso molecular são normalmente menos voláteis e, portanto,

apresentam um menor impacto ao odor (SILVA, 2003). O Quadro 3.1 ilustra alguns

compostos odorantes mais conhecidos.

Composto Fórmula Odor Percebido Acetaldeído CH3CHO Acre Amônia NH3 Acre Ácido butírico CH3CH2CH2COOH Rançoso Dietil sulfeto C2H5C2H5S Alho Dimetil amina CH3CH3NH Peixe Dimetil sulfeto CH3CH3S Repolho em decomposição Etil mercaptana C2H5SH Repolho em decomposição Formaldeído HCHO Acre Sulfeto de hidrogênio H2S Ovo podre Metil mercaptana CH3SH Repolho em decomposição Propil mercaptana C3H7SH Desagradável Dióxido de enxofre SO2 Acre Trimetil amina CH3CH3CH3N Peixe

Quadro 3.1- Exemplos de compostos odorantes e seu odor percebido Fonte: Cheremisinoff, P. N. 1992.

Os gases odorantes tendem a seguir a Lei de Henry, segundo a qual o estado da

pressão parcial do gás, logo acima da superfície do líquido, é diretamente

proporcional à concentração molecular do gás dissolvido no líquido (Equação 3.1).

Equação. 3.1

Onde,

K= Constante da Lei de Henry (atm)

p= pressão parcial do gás acima da solução (atm)

x= fração molar do gás dissolvido na fase líquida.

xpK =


___________________________________________________________________________

Isso significa dizer que, o percentual volatilizado do gás é diretamente proporcional

ao aumento da concentração do gás no líquido e da temperatura em que se

encontra.

3.1.2 Reclamações contra maus odores

Do ponto de vista de qualidade da atmosfera, os maus odores são, certamente, junto

com as poeiras, os incômodos mais fortemente e imediatamente percebidos pelo

público (BELLI FILHO, 1998).

Desde muitas décadas, os maus odores têm sido um fator inconveniente às

populações rurais e urbanas, devido a diversas fontes de emissões provenientes das

atividades humanas, sejam agrícolas, industriais e/ou domésticas (BELLI FILHOb,

2000). O rápido avanço tecnológico e industrial resultou no aumento das emissões

odorantes devido, principalmente a diferentes processos químicos ou biológicos, tais

como as decomposições térmicas, aeróbias e anaeróbias (CARVALHO, 2001).

As Estações de Tratamento de Esgoto (ETE), mesmo bem projetadas, podem gerar

odores, como subprodutos no processo de tratamento. Com o rápido

desenvolvimento urbano, as ETE, que antes eram bem isoladas, atualmente vêem-

se cercadas pelo desenvolvimento residencial (CARVALHO, 2001). Com isso, surgiu

nos países desenvolvidos o efeito “Nimby” – “not in my backyard”, que quer dizer:

“Não no meu quintal”. Ele refere-se a um movimento da sociedade contra a

instalação de ETE em área residencial, e está cada vez mais presente na sociedade

brasileira devendo influenciar sobremaneira as ações nos próximos anos.

Uma inédita demanda do Ministério Público do Rio Grande do Sul contra a

Companhia Riograndense de Saneamento (Corsan) ameaça-a de ter que pagar uma

indenização de mais de R$ 375 milhões a moradores de um bairro da cidade de Rio

Grande por causa do odor exalado pela estação de tratamento de esgoto.

Reclamações deste tipo têm acontecido em várias partes do país, levando os

especialistas em Engenharia Sanitária a dedicar especial atenção a este assunto

(ÁGUA ONLINE, 2006).


___________________________________________________________________________

A comunidade que exige esgotamento sanitário, não poluição dos corpos d’água,

eficiência na prestação do serviço, probidade no gerenciamento dos recursos

hídricos e emprego, é a mesma que não admite ter próximo à sua residência uma

ETE. Mesmo que todos os estudos técnicos, econômicos e financeiros indiquem

aquele local como o mais adequado para sua localização (LUDUVICE et al., 1997).

3.1.3 Principais fontes de odor

As fontes de compostos causadores de odor podem ser de origem natural ou

antrópica. Normalmente as fontes naturais incluem vulcões, ambientes aquáticos e

mudanças no ciclo biogeoquímico do enxofre sobre a Terra. Como principais fontes

antrópicas, têm-se as indústrias e estações de tratamento de efluentes. Em

ambientes naturais, os responsáveis pelos compostos causadores de odor são, na

maior parte das vezes, microorganismos aquáticos, como bactérias, fungos,

actinomicetos, cianobactérias e algas eucarióticas (CANELA, 1999).

Os processos biológicos de tratamento de efluentes constituem uma fonte de

emissão de gases mal odorantes. Os odores produzidos em Estações de

Tratamento de Esgoto (ETE) têm origem na degradação anaeróbia da matéria

orgânica, presente nas águas residuárias urbanas e/ou em descargas de efluentes

industriais que contenham compostos odoríficos. A produção dos compostos

odorantes que ocorre numa ETE tem origem, fundamentalmente, em compostos

sulfurados ou azotados, incluindo o ácido sulfídrico, que se forma em conseqüência

da redução do sulfato, que é a principal forma sob a qual o enxofre se apresenta nas

águas residuárias e, também, da decomposição anaeróbia da matéria orgânica que

potencializa a liberação de mercaptanas e de amoníaco (ANTUNES e MANO, 2004).

A formação de compostos odoríficos pode ocorrer durante o transporte dos afluentes

ou mesmo na ETE, sendo potencializada pelo aumento da temperatura, presença de

cargas orgânicas elevadas e de compostos químicos reduzidos, que conduzem à

diminuição do oxigênio dissolvido e contribuem para a criação de condições de

anaerobiose (ANTUNES e MANO, 2004). Tipicamente, o problema de odor é pior em


___________________________________________________________________________

períodos quentes e secos onde o fluxo de ar é baixo e os tempos de detenção são

maiores.

A Tabela 3.1 apresenta as concentrações médias de ácido sulfídrico e amônia

encontradas em diferentes pontos de uma ETE.

Tabela 3.1- Concentrações de H2S e NH3 nas estações de tratamento de esgoto sanitário.

Pontos na ETE Concentrações médias (mg/m3) H2S NH3

Estação elevatória 4,80 0,25 Unidades de pré-tratamento 3,50 0,50 Decantador 0,50 0,07 Sistema de lodos ativados 0,40 0,07 Espessador de lodo 9,80 0,80 Sistema de desidratação de lodo 6,50 0,85 Sistema de disposição final de lodo 0,40 7,00 Fonte: Bonnin et al.,1993 apud Belli Filho et al., 2001.

Caixas de areia e desarenadores também são passíveis de liberação de mau cheiro,

devido à presença de matéria orgânica adsorvida nas paredes da areia a ser

removida (LUDUVICE, 1997).

Dentre as etapas de tratamento do esgoto sanitário, o processo anaeróbio é um dos

principais responsáveis pela liberação de substâncias odorantes, devido

principalmente à grande concentração de material putrecível e sólidos grosseiros. O

gás produzido durante a digestão anaeróbia, também conhecido como biogás, é

formado basicamente de metano, CO2 e pequenas concentrações de nitrogênio,

oxigênio e H2S, além de traços de hidrocarbonetos voláteis (Tabela 3.2) (VERONEZ,

2001).

Tabela 3.2- Composição característica do biogás.

Constituinte Concentração típica (%) ASCE e WEF (1995) Chernicharo (1997)

Metano 55-75% 62 a 80% Gás carbônico 25-45% 30 a 38% Nitrogênio 2-6% 0,05 a 1% Oxigênio ------ 0,022% Hidrogênio 0,1-2% < 0,01% Sulfeto hidrogênio 0,01-1% ------ Vapor d’água ------ saturação


___________________________________________________________________________

Uma vez produzidos, os compostos odorantes têm tendência a serem liberados para

a atmosfera. Esta liberação de gases a partir de um líquido depende basicamente de

cinco fatores, segundo Silva (2003):

• a concentração dos compostos odorantes no líquido;

• a área superficial do líquido exposta à atmosfera;

• o grau de turbulência do fluxo líquido;

• o pH do líquido;

• a temperatura;

• condições do escoamento sobre a superfície do reator.

As Estações de Tratamento de Esgoto são unidades passíveis de gerar odores

desagradáveis a qualquer momento. Entretanto, a adoção de certos procedimentos

operacionais ajuda a minimizar esse risco (LUDUVICE, 1997).

3.1.4 Efeito dos compostos odorantes

Emissões de odores afetam a qualidade de vida, provocando estresse psicológico e

sintomas, tais como insônia e perda de apetite. Tudo isso resulta em uma imagem

negativa para as empresas de saneamento e diversas reclamações.

Quando uma pessoa é exposta por muito tempo a uma determinada substância

odorante ela pode desenvolver adaptação ou fadiga olfativa, que ocorre quando

pessoas com uma percepção normal de cheiro experimentam um decréscimo na

percepção da intensidade de um odor se o estímulo for recebido continuamente

(ASCE e WEF, 1995).

Contudo os principais problemas associados à presença de odores dizem respeito

aos efeitos na saúde dos trabalhadores das ETE ou das pessoas que

ocasionalmente a elas se deslocam. Os efeitos na saúde das populações vizinhas e

nos ecossistemas poderão ter igualmente algum significado, dependendo das

condições locais, topográficas e climáticas. As conseqüências para a saúde dos

trabalhadores dependem das concentrações do gás e do tempo a que se está

exposto a essas concentrações. A Tabela 3.3 mostra as concentrações limite, às

quais podem estar expostos trabalhadores de ETE, segundo a NP1796 e ATDSR.


___________________________________________________________________________

Tabela 3.3- Valores limite de exposição dos trabalhadores ao NH3, H2S e CH3SH.

Composto odorífero NAC VLE-CP VCP (mg/m3) (ppmv) (mg/m3) (ppmv) (ppmv)

Amoníaco 18 25 24 35 300 Sulfeto de hidrogênio 14 10 21 15 50 Mercaptano de metila 1 0,5 20 10 150

Legenda: NAC: nível admissível de concentração (NP1796); VLE – CP: valor limite de exposição por curto período (ATDSR); VCP: valor de concentração perigosa (ATDSR); NP: norma portuguesa; ATDSR: Agency for Toxic Substances and Disease Registry. Fonte: Antunes, 2004.

A Organização Mundial de Saúde estipulou concentrações toleráveis de sulfeto de

hidrogênio no ar, sendo de 100 µg/m3 a 20 µg/m3, respectivamente, para curto

tempo (1 a 14 dias) e médio tempo (acima de 90 dias) de exposição (WHO, 2003).

3.2 Compostos odorantes em águas residuárias

As substâncias odorantes provenientes das águas residuárias resultam da

decomposição anaeróbia da matéria orgânica contendo enxofre e nitrogênio. Os

microorganismos responsáveis por esse processo podem ser divididos em três

grupos com comportamento fisiológicos distintos (CHERNICHARO, 1997):

• Bactérias fermentativas: transformam, por hidrólise, os polímeros em monômeros,

e depois a acetato, hidrogênio, dióxido de carbono, ácidos orgânicos e

aminoácidos;

• Bactérias acetogênicas: degradam os produtos gerados pelas fermentativas a

hidrogênio;

• Bactérias metanogênicas: degradam o acetato a metano e gás carbônico.

Com a presença do íon sulfato o processo de digestão anaeróbia ocorre como

esquematizado na Figura 3.1, onde as bactérias sulforedutoras passa a competir

com as bactérias fermentativas, acetogênicas e metanogênicas. A partir dessa

competição forma-se o ácido sulfídrico – principal composto odorante presente em

águas residuárias.


___________________________________________________________________________

Bactérias acetogênicas produtoras de Hidrogênio

Bactérias acetogênicas consumidoras de Hidrogênio

Bactérias Fermentativas(Acidogênese)

Bactérias Fermentativas(Hidrólise)

Bactérias Redutoras de Sulfato(Sulfetogênese)

Bactérias Acetogênicas(Acetogênese)

Orgânicos Complexos(Carboidratos, Proteínas, Lipídeos)

Orgânicos Simples(Açucares, Aminoácidos, Peptídeos)

Ácidos Orgânicos(Propionato, Butirato, etc)

AcetatoH2 + CO2

Bactérias Metanogênicas(Metanogênese)

CH4 + CO2

H2 + CO2

Figura 3.1: Seqüências metabólicas e grupos microbianos envolvidos na digestão anaeróbia (com redução de sulfato) Fonte: Chernicharo, 1997.

Substâncias odorantes que são emitidas da coleta de esgoto doméstico e durante o

seu processo de tratamento incluem gases inorgânicos, gases orgânicos e vapor

(Tabela 3.4). Dentre os gases inorgânicos, destacam-se o ácido sulfídrico e a

amônia.


___________________________________________________________________________

Tabela 3.4- Principais compostos odorantes e suas características, encontrados em estações de tratamento de águas residuárias.

Nome Fórmula PM* Características dos odores

Limite olfativomg/m3

Acetaldeído CH3CHO 44 Maçã 0,04 a 1,8 Ácido acético CH3COOH 60 Vinagre 0,0025 a 6,5 Ácido butírico C3H7COOH 88 Manteiga 0,0004 a 3 Ácido valérico C4H9COOH 102 Suor 0,0008 a 1,3 Amônia NH3 17 Picante e irritante 0,5 a 37 Butanol C3H7CH2OH 74 ------- 0,006 a 0,13 Dietil Sulfeto (C2H5)2S 90,2 Etéreo 0,0045 a 0,31 Dimetil dissulfeto (CH3)2S2 94,2 Pútrico 0,003 a 0,0014 Dimetil sulfeto (CH3)2S 62,13 Legumes deteriorados 0,0025 a 0,65 Escatol C9H8NH 131,5 Fecal, nauseante 0,008 a 0,10 Etanol CH3CH2OH 46 ------- 0,2 Etil amina C2H5NH2 45 Picante amoniacal 0,05 a 0,83 Etil mercaptana C2H5SH 62 Repolho deteriorado 0,0001 a 0,03 Fenol C6H5OH 94 ------- 0,0002 a 0,004 Indol C8H6NH 117 Peixe deteriorado 0,0006 Metil amina CH3NH2 31,05 Peixe em decomposição 0,0021 Metil mercaptana CH3SH 48 Repolho, alho 0,0005 a 0,08 Ácido sulfídrico H2S 34 Ovo podre 0,0001 a 0,03

* Peso molecular (g/mol). Fonte: Belli Filho et al., 2001.

Pode-se observar que os compostos que apresentam os menores faixas de

percepção pelo nariz humano são os compostos com enxofre, principais

responsáveis pelos maus odores.

O esgoto doméstico contém enxofre orgânico derivado principalmente de material

protéico e resultante de sulfonatos de detergentes domésticos. Já o enxofre

inorgânico está presente na forma de sulfato.


___________________________________________________________________________

3.3 Ácido Sulfídrico

O ácido sulfídrico, também comumente chamado de gás sulfídrico, é caracterizado

como um gás incolor e solúvel em vários líquidos incluindo água, álcool, éter, glicerol

e gasolina. De fórmula molecular H2S e peso molecular igual a 34g, pode ser

formado sob condições de deficiência de oxigênio, na presença de material orgânico

e de sulfato. A maioria do gás sulfídrico presente na atmosfera tem origem natural,

ocorre em torno de nascentes e lagos e é um contaminante aéreo de regiões

geotermicamente ativas.

O sulfeto de hidrogênio é formado, por exemplo: durante o preparo da comida, em

processo de extração de enxofre, na produção de polpa de madeira utilizando o

método de sulfato, em estações de tratamento de esgoto, no refinamento de óleos,

dentre outros. Apenas 10% do total global emitido do gás sulfídrico têm origem

antropogênica (WHO, 2000).

É um gás que apresenta uma longa lista de inconvenientes: é tóxico, porque se

combina com o ferro do citocromo e outros compostos essenciais que contêm ferro

na célula; é mau odorante (odor de ovo podre); é encontrado nas estações de

tratamento de esgoto, principalmente nas etapas de fluxo turbulento; é

extremamente corrosivo em atmosfera úmida, se transformando em ácido sulfúrico;

causa a diminuição na quantidade de oxigênio dissolvido na massa líquida - 2 moles

O2 / 1 mol de H2S (LEITE, 2001). Além disso, por ser mais pesado que o ar, o H2S

se acumula nos tanques e nas bombas, causando sérios problemas nas áreas de

trabalho.

Segundo AEsΦy et al. (1998), a concentração de sulfeto de 0,5mgL-1 tem efeito

negativo sobre a atividade de nitrificação de águas residuárias. O sulfeto, associado

a altas concentrações de matéria orgânica em esgoto séptico, causa a redução de

30 a 40% da capacidade de nitrificação.

Em água, o H2S se decompõe em HS- e S2- conforme o equilíbrio a seguir:


___________________________________________________________________________

(pKa1=7,04) (pKa2= 12,89)

H2S H+ + HS- H+ + S=

pH baixo pH neutro pH alto

Pode-se observar que essa dissociação está relacionada com o pH e a temperatura,

conforme o diagrama representado na Figura 3.2. As espécies HS- e S2- são

altamente solúveis em água. O H2S pode estar presente na fase gasosa, ou

dissolvido na forma menos tóxica. Por exemplo, em pH 5 somente 1% está na forma

de HS-. Se o pH está acima de 8, não se encontra a forma não dissociada (H2S). Em

pH 7, 50% do sulfeto está presente na forma não dissociada (H2S), mais tóxica e

que produz emissão de odor, e os outros 50% apresentam-se na forma dissociada

HS-.

Figura 3.2: Diagrama de distribuição para o H2S (T=25ºC)

Fonte: EPA, 1985.

A quantidade de gás dissolvido poderá também ser diretamente proporcional à

pressão total (atmosférica + hidráulica) e à pressão parcial de H2S na fase gasosa,

conforme a Lei de Henry (BOON, 1995). O sulfeto de hidrogênio pode evaporar

facilmente da água, dependendo da temperatura e do pH; em geral, o baixo pH e a

alta temperatura tendem a favorecer a evaporação.

O ácido sulfídrico no ar é oxidado por moléculas de oxigênio e radicais hidroxila,

formando o radical sulfidril e ultimamente dióxido de enxofre ou compostos de

sulfato. O tempo de residência do ácido sulfídrico na atmosfera é tipicamente menor


___________________________________________________________________________

que 1 dia, mas pode ser maior que 42 dias no inverno (estudo realizado no

hemisfério norte) (WHO, 2003).

3.3.1 O Ciclo do Enxofre

O maior reservatório de enxofre é a crosta terrestre e é composto de depósitos de

enxofre elementar, como precipitados de enxofre metálico (FeS2 e CaSO4). O

segundo maior reservatório é o oceano, onde o enxofre está na forma de íon sulfato

(SO4=), sendo este o segundo ânion mais abundante do oceano.

O enxofre é um elemento essencial para todos os seres vivos, ocorrendo

principalmente como grupos sulfidril (HS-) em aminoácidos (cisteína, cistina e

metionina) e, conseqüentemente, na constituição de proteínas. É importante também

na constituição de moléculas do metabolismo celular, como acetilcolina-A, NADH

desidrogenase, ferredoxina, etc. O enxofre em seus estados reduzidos (S0 e S=) é

fonte de energia para algumas bactérias quimiolitotróficas e, em seu estado oxidado

(SO4=), é aceptor de elétrons oriundos do metabolismo respiratório de bactérias

redutoras de sulfato (SILVA, 2003).

Enxofre é um elemento reativo de valência que varia de -2 a +6 (Tabela 3.5) e se

encontra entre os dez mais abundantes elementos da Terra.

Tabela 3.5- Estado de oxidação do enxofre em vários compostos.

Composto Exemplo Estado de Oxidação S2- Sulfetos, mercaptanas -2 S0 Elemento enxofre 0

S2O32- Tiossulfato +2

SO3 2- Sulfito +4

SO4 2- Sulfato +6

A maioria do enxofre orgânico que entra no esgoto doméstico é proveniente de

proteínas ou produto da decomposição de proteínas.

Devido à alta toxicidade do íon sulfeto, sua direta captação não é viável para a

maioria dos microrganismos. Eles então assimilam enxofre na forma de sulfato, e

para sua incorporação nas biomoléculas é preciso que o sulfato seja reduzido a


___________________________________________________________________________

sulfeto pela Redução Dissimilatória de Sulfato (RDS). Se o H2S não é volatilizado,

sob condições aeróbias, pode sofrer oxidação microbiana ou pode ser

fototroficamente oxidado sob condições anaeróbias. Sulfato, assim como enxofre,

em condições anaeróbias, são aceptores de elétrons e os substratos orgânicos são

oxidados.

O ciclo redox e o envolvimento de microrganismos nas transformações do enxofre

oxidado e reduzido estão resumidos na Figura 3.3.

H2S

S0 SO42-

R-SH

S0

Oxidação fototrófica

Oxidação do sulfeto

Oxidação do enxofre

Oxidação fototrófica

Respiração do enxofre

Redução dissimilatóriade sulfato

Redução assimilatóriade sulfato

Dessulfuração

Anaeróbico

Aeróbico

Figura 3.3: O ciclo do enxofre

O enxofre na forma de gás é liberado para a Terra através da atividade vulcânica.

Esses gases, primariamente dióxido de enxofre e sulfeto de hidrogênio, passam para

forma dissolvida nos oceanos e nos aqüíferos. Então, as formas de sulfeto de

hidrogênio são encontradas solúveis na forma de sulfeto de metais, como o sulfeto

de ferro, por exemplo.

3.3.2 Redução Dissimilatória de Sulfato

As principais reações para a formação de sulfeto de hidrogênio em esgotos são as

que envolvem a redução dissimilatória de sulfato e o metabolismo de compostos

orgânicos de enxofre.


___________________________________________________________________________

O sulfato (SO4=) é utilizado por bactérias anaeróbias como agente oxidante (aceptor

de elétrons) durante a decomposição de compostos orgânicos. Essa reação não

ocorre se o oxigênio dissolvido (OD) ou outro aceptor de elétron, por exemplo o

nitrato, mais favorável termodinamicamente, estiver presente na água (MADIGAN,

2004).

As bactérias responsáveis por este processo são denominadas “Bactérias Redutoras

de Sulfato ou sulforredutoras” (BRS), que podem ser divididas em dois grupos,

segundo Visser (1995):

• As sulforredutoras que oxidam seus substratos de forma incompleta até

acetato; como exemplos, têm-se os gêneros: Desulfobulbus, Desulfomonas,

Desulfotomaculum e Desulfovíbrio;

• As sulforredutoras que oxidam seus substratos completamente até o CO2,

que são os gêneros: Desulfobacter, Desulfococus, Desulfosarcina,

Desulfobacterium e Desulfonema.

Cheremisinoff (1988 apud GOSTELOWa, 2001) mostrou, através das reações

abaixo, a formação do H2S a partir da redução do sulfato:

Bactéria anaeróbica

SO4= + matéria orgânica S= + H2O + CO2 Equação 3.2

S= + 2H+ H2S Equação 3.3

As bactérias são capazes de oxidar o substrato (matéria orgânica) reduzindo o

sulfato, o sulfito e o tiossulfato, além de outros compostos de enxofre oxidado. Essas

bactérias competem com as bactérias fermentativas, acetogênicas e metanogênicas

pelo substrato disponível (BELLI FILHO et al., 1997).

A redução de sulfato, com produção de sulfeto, pode ocorrer dependendo de alguns

fatores como: pH, pressão, temperatura, nutrientes, tempo de contato, presença de

biofilme, ausência de inibidores de redução de sulfato e potencial de oxidação-

redução.


___________________________________________________________________________

O gás também pode sofrer oxidação aeróbia até a forma de ácido sulfúrico (H2SO4),

causando corrosão em tubulações e estruturas.

3.3.3 Efeitos do Ácido Sulfídrico na Saúde

Humanos podem ser expostos a ácido sulfídrico de origem exógena ou da produção

endógena. Este gás tende a ser um problema em comunidades localizadas próximo

a áreas de certas indústrias. Inalação é a rota mais comum da exposição exógena

ao sulfeto de hidrogênio, pois é rapidamente absorvido através do pulmão humano,

podendo ser também absorvido pelo trato gastrointestinal. Em pH fisiológico, o

sulfeto de hidrogênio é dissociado ao ânion na circulação, sendo esta provavelmente

a forma em que é absorvido (WHO, 2003).

Efeitos na saúde humana têm sido observados após a exposição ao sulfeto de

hidrogênio, incluindo falência respiratória, detrimento ocular, neurológico,

cardiovascular, metabólico e reprodutivo. A maioria dos casos fatais envolvendo

ácido sulfídrico ocorre em espaços relativamente confinados. As vítimas perdem a

consciência lentamente após a inalação do gás, as vezes após uma ou duas

respirações (WHO, 2003)

O primeiro efeito noticiado do sulfeto de hidrogênio a baixas concentrações é o odor

desagradável; irritação da conjuntiva é o próximo sintoma quando o gás está a 70 -

140 mgm-3 (50,72 – 101,45 ppm). O H2S pode causar sério dano aos olhos na

concentração de 70 mgm-3, concentrações acima de 225 mg.m-3 ou 150 ppm podem

afetar a percepção do olfato. Em concentrações acima de 1400 mg.m-3 há um

colapso imediato. O perigo causado por altas concentrações de sulfeto de

hidrogênio é relativamente bem conhecido, mas informações sobre a exposição

humana por um longo período a baixas concentrações são escassas (WHO, 2000).

A Figura 3.4 mostra os efeitos na saúde humana causados pela exposição do gás

sulfídrico.


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Dor de cabeçaNáuseas

Irritação garganta/olhos

Lesão nos olhos

ConjuntiviteIrritação aparelho respiratório

Paralisia olfativa

Edema pulmonar

Estimulação do Sistema NervosoApnéia

Morte

Odor ofensivo

Limite de odor

Alarme de odor

Limite de lesão nos olhos

Perda do senso de olfato

Eminente ameaça de vida

Colapso imediato com parada respiratória

0,10,23

10

50

100

300

500

2000

1000

[H2S] ppm

Figura 3.4: Espectro de toxicidade do gás sulfídrico.

Fonte: EPA, 1985.

Jaakkola et al. (1990) registraram que pessoas expostas a sulfeto de hidrogênio,

enquanto viviam em comunidade, em torno de uma fábrica de papel, tiveram 12

vezes mais irritação nos olhos que pessoas não expostas. Esses efeitos foram

observados numa concentração média anual de 6 µg.m-3.

O gás sulfídrico interrompe o transporte de elétrons na mitocôndria e afeta todos os

sistemas, principalmente respiratório e nervoso central. O sulfeto de hidrogênio não

é mutagênico, e nenhum estudo é capaz de demonstrar claramente que sua

exposição pode causar câncer (WHO, 2003). Efeitos na saúde humana têm sido

observados após a exposição ao sulfeto de hidrogênio, incluindo falência

respiratória, detrimento ocular, neurológico, cardiovascular, metabólico e reprodutivo

(WHO, 2003). A maioria dos casos fatais envolvendo o ácido sulfídrico ocorre em

espaços relativamente confinados. As vítimas perdem a consciência lentamente

após inalação do gás, às vezes após uma ou duas respirações (WHO, 2003).

A Organização Mundial de Saúde (World Health Organization – WHO) (2003)

recomenda uma exposição máxima de 30 minutos ao H2S a uma concentração


___________________________________________________________________________

média de 7 µg.m-3.

3.3.4 Oxidação de Sulfeto de Hidrogênio e Enxofre por Microorganismos

Compostos reduzidos de enxofre são oxidados a S0 ou SO4=, dependendo da

quantidade de oxigênio disponível. Beggiatoa e Thiotrix são exemplos de bactérias

que oxidam H2S, de acordo a com equação abaixo:

H2S + ½ O2 S0 + H2O Equação

3.4

Em quantidades maiores de oxigênio, sulfetos são completamente oxidados a

sulfato, conforme a equação abaixo, sendo a reação bastante espontânea

energeticamente.

HS- + 2 O2 SO4= + H+ Equação

3.5

Esta reação representa uma condição mais severa, pois promove a acidificação do

meio. Espécies de Thiobacillus são acidófilas e crescem bem em pH 2 a 3.

De acordo com ASCE e WEF (1995), podem ocorrer duas reações de oxidação para

sulfato e duas reações de oxidação a enxofre elementar, conforme mostra o Quadro

3.2.

Oxidação a Reações

Sulfato H2S + 2 O2 SO4= + 2 H+

HS- + 2 O2 SO4= + H+

Enxofre elementar 2 H2S + O2 2 S0 + 2 H2O 2 H+ + 2 HS- + O2 2 S0 + 2 H2O

Quadro 3.2- Reações de oxidação do ácido sulfídrico.

Nas reações de oxidação do sulfeto de hidrogênio a sulfato, há formação de íons

hidrogênio abaixando, conseqüentemente, o pH. Outro destaque é a grande

quantidade de oxigênio consumido nessas reações.


___________________________________________________________________________

3.4 Quantificação das Emissões Odorantes

Para um efetivo controle do odor, é necessário primeiro quantificá-lo. No entanto,

odores são difíceis de medir, já que as respostas aos odores são altamente

subjetivas, pois as pessoas respondem diferentemente a odores ofensivos e em

diferentes concentrações. Um fator complicador é o fato de os odores emitidos

consistirem de vários componentes odorantes, formando uma mistura complexa que

não pode ser facilmente predita. Por essas razões, não há um método

universalmente aceito para quantificação de odor (GOSTELOW e PARSONS, 2000).

As emissões odorantes podem ser determinadas experimentalmente, por simulação

em laboratório, usando métodos micro-meteorológicos ou ainda métodos de

amostragem direta da fase gasosa. A primeira opção não é muito utilizada devido as

dificuldades em simular condições reais. O método micro-meteorológico estima a

emissão através da medida direta da intensidade em diferentes posições da fonte

associado a um modelo de dispersão atmosférico. Para os métodos de amostragem

direta é necessário confinar o poluente sobre uma cobertura e diluí-lo com um fluxo

de ar limpo (SÁ, 2004).

3.4.1 Medidas de Amostragem Direta

Baseiam-se na amostragem da fase gasosa para determinação da concentração dos

compostos odorantes através de análises laboratoriais com posterior multiplicação

da concentração pela vazão do gás odorante emitido. São exemplos de métodos de

amostragem direta o túnel de vento e a câmara de fluxo (SÁ, 2004).

Em muitos casos, um particular composto odorante pode ser dominante e ser

utilizado como indicador da emissão total. Este é certamente o caso das emissões

de odores de muitas estações de tratamento de esgoto, em que o H2S esta

freqüentemente presente em concentrações maiores do que a dos outros compostos


___________________________________________________________________________

odorantes. A utilização do H2S como indicador oferece as seguintes vantagens

(GOSTELOW e PARSONS, 2000):

• O H2S é geralmente o composto odorante dominante em ETE;

• Mesmo quando não é o principal composto odorante, ele age como um

marcador para os odores de esgoto;

• As concentrações de H2S na fase gasosa podem ser relacionadas com suas

medidas na fase líquida e modelos teóricos podem estimar a sua formação;

• A avaliação é rápida e fácil mesmo em concentrações muito baixas (ppb).

Como exemplo de análise laboratorial da concentração de determinado composto

odorante, tem-se a cromatografia gasosa, o nariz eletrônico, métodos químicos e a

olfatometria.

A olfatometria emprega o sistema olfativo em conjunto com um instrumento que dilui

a amostra de ar odorante com amostras de ar sem odor. Esse instrumento é

conhecido como olfatômetro. O objetivo dessas medidas é determinar a

concentração do odor. A técnica mais comum é a determinação do limiar olfativo,

que corresponde a uma concentração que pode ser distinguida por 50% dos

monitores como livre de odor. Então a amostra a ser analisada é sucessivamente

diluída até que se possa encontrar o limiar olfativo. A essa concentração

correspondente assume-se como sendo igual a 1 uoE/m3 (unidades de odor por

metro cúbico). Conseqüentemente, a concentração do odor original da amostra

corresponde ao número de diluições requerido para obter o limite de odor

(GOSTELOW e PARSONS, 2000).

Quanto ao método de cromatografia gasosa, esse é um dos métodos analíticos de

alta precisão, além de avaliar a concentração de vários compostos simultaneamente.

Trata-se de um método físico-químico de separação, baseado na volatilidade de

compostos químicos na amostra. Se a identificação química individual de todos

componentes da amostra é desejável, então é necessária a associação de um

espectrômetro de massa (MS) a um cromatógrafo a gás (CG). Porém, podem-se

identificar substâncias químicas específicas apenas com o CG por meio de um

método comparativo, utilizando-se amostras padrões (ASCE e WEF, 1995).


___________________________________________________________________________

A cromatografia gasosa, apesar de muito precisa é uma metodologia dispendiosa,

que requer aparelhos volumosos e sensíveis. Atualmente, segundo Willers et al.

(2004), o dispositivo mais apropriado para monitoramento é o nariz eletrônico.

O nariz eletrônico é baseado num conjunto de sensores químicos. Esses sensores

são caracterizados pela seletividade e sensibilidade de uma ampla variedade de

compostos (WILLERS et al., 2004). A discriminação é conseguida através da

aplicação de técnicas de reconhecimento padrão, de acordo com uma base de

dados pré-existente de medições de amostras conhecidas. Boa discriminação

também pode ser alcançada quando o conjunto é substituído por um único sensor

dinamicamente orientado (BOS, 2004).

Dentre as principais vantagens oferecidas pelo nariz eletrônico, tem-se a facilidade

de operação do aparelho, a rapidez do resultado, o baixo custo e a possibilidade de

transportar o analisador. Como acontece com qualquer sistema de medição, eles

também têm suas limitações; se um composto específico está sendo analisado,

qualquer interferência é uma desvantagem. No caso do H2S qualquer composto

reduzido de enxofre pode interferir na leitura do aparelho (STUETZ, 2001).

Willers et al. (2004) monitoraram um filtro biológico de odor usando três

metodologias: olfatometria, tubo de detecção de gás (amônia e ácido sulfídrico) e

nariz eletrônico. Após avaliação estatística dos resultados, os autores concluíram

que o nariz eletrônico pode ser usado para testar a eficiência de remoção de um

filtro biológico de ar.

Belli Filhoa,b et al. (2000) utilizaram para avaliação das concentrações de H2S em

misturas gasosas um método gravimétrico de análise de absorção química, baseado

no borbulhamento do gás em uma solução ácida de cloreto de mercúrio (HgCl2) por

um período determinado de tempo. A quantificação do H2S é feita através da

determinação da massa do precipitado formado, com a qual se calcula a

concentração.


___________________________________________________________________________

3.4.2 Estimativa da Taxa de Emissão

Muitas vezes a medição direta da emissão se torna inviável dependendo da

estrutura da ETE, das condições do laboratório e do tempo requerido para obter o

resultado. No entanto, devido à sua simplicidade e baixo custo envolvido, equações

matemáticas são normalmente utilizados para estimar emissões de odor (SANTOS,

2006).

O uso de modelos matemáticos para estimar a taxa de emissão de um composto é

muito utilizado em estudos de impacto ambiental, onde ainda não existe uma fonte

odorante instalada. Além disso, trata-se de um recurso que disponibiliza os

resultados de maneira mais rápida.

Dentre os modelos matemáticos já validados os mais comumente usados são o

BASTE, CORAL+, WATER 8 e o TOXCHEM+ (RAFSON, 1998).

A importância da taxa de emissão na avaliação no controle de compostos odorantes,

combinada com a dificuldade de sua medição em diversas fontes em ETE indica que

modelos de emissão baseados em dados da concentração na fase líquida são uma

técnica útil para estimar a taxa de emissão.

3.4.3 Modelo GPC

O modelo matemático escolhido para este estudo foi o GPC, pois já foram obtidos

bons resultados com sua utilização na ETE-UFES em pesquisa feita por Sá (2004).

Esse modelo foi proposto por Gostelowb, Parsons e Cobb em 2001 e é recomendado

para quedas d’água. Os principais parâmetros de entrada do modelo são a altura de

queda do esgoto, a carga hidráulica e a qualidade de parâmetros da água residuária

(SANTOS, 2006). A estimativa da taxa de emissão (Rv), em mg.s-1, é dada por uma

seqüência de equações que podem ser conferidas no Anexo A.


___________________________________________________________________________

O modelo aqui utilizado vai além do escopo deste trabalho, por isso nesta secção

serão abordados apenas os dados de entrada e as formas de transferência de

massa consideradas por ele; um detalhamento do assunto pode ser obtido em

Lopes (2005), Sá (2004) e Gostelowb et al. (2001).

Na série de equações do modelo são consideradas duas formas de emissões no

sistema (RAHMÉ, 1997):

• Volatilização – transferência do esgoto em queda, gotículas que se

desintegram, respingos gerados pelo impacto na superfície líquida e através

da superfície altamente agitada;

• “Stripping” – transferência das bolhas de ar que resultam do entranhamento

do jato de esgoto na massa líquida.

3.5 Controle dos Odores

Para conter os gases odorantes que são emitidos por diversas etapas de um

processo - de produção ou de tratamento - é comum se utilizar coberturas ou fechar

uma das etapas em uma estrutura, de tal forma que os odores que são liberados

podem ser eficientemente capturados e bombeados para um sistema de tratamento

adequado, antes da liberação para o ambiente.

Uma grande variedade de tipos de coberturas e configurações é utilizada

atualmente. A consideração cuidadosa de vários fatores, tais como tipo de material,

durabilidade, resistência a corrosão, forma e tamanho, bem como estudo dos custos

são necessários antes da seleção final dos processos de confinamento de odor

(STUETZ, 2001).

3.5.1 Materiais para cobertura

Considerando que gases corrosivos são emitidos pelas estações de tratamento de

esgotos, o material usado na cobertura deve ser resistente a corrosão e ser durável


___________________________________________________________________________

as diversas condições climáticas. Os materiais mais comuns incluem: concreto,

madeira, tecido, alumínio e fibra reforçada de plástico (FRP). Propriedades de cada

material são descritas em seguida (STUETZ, 2001):

Concreto: é utilizado em coberturas baixas, tem a desvantagem de ser fabricado em

placas pesadas de difícil remoção, além de não ser resistente a corrosão. Para esse

problema é indicado revestir o concreto com material resistente à corrosão, como o

polietileno de alta densidade. Geralmente é utilizado em áreas onde convêm uma

cobertura permanente e onde não são emitidas grande quantidades de gases

corrosivos.

Madeira: foi o primeiro material a ser usado como cobertura. É relativamente leve e

fácil de moldar, utilizado em coberturas baixas. Infelizmente tem um curto tempo de

vida útil quando sujeito às intempéries. Para aumentar sua durabilidade, protege-se

a madeira com revestimento plástico ou com um sistema de pintura.

Tecido: tem a maleabilidade de revestir diversas formas. Muito utilizado em

coberturas altas, porém para isso há a necessidade de uma estrutura de apoio,

geralmente feita de aço ou alumínio que são materiais resistentes à corrosão.

Encontra-se em várias cores sendo o branco escolhido com mais freqüência porque

permite a passagem da luz e excelente visibilidade durante o dia. O tempo de

duração está em torno de 10 a 15 anos

Alumínio: é muito utilizado para coberturas de ETE. Tem a vantagem de ser

fabricado em diversos formatos e adequá-lo com escotilhas para acesso de

manutenção e inspeção, bem como ser resistente à corrosão. O uso de uma liga

com pouco cobre evita rachaduras em sua estrutura. O alumínio não é indicado para

tratamento em que ocorrem espirros de esgoto na sua estrutura, pois esse fato faz

aparecer sinais de corrosão. A literatura mostra casos de uso de alumínio em

coberturas de ETE há quase 50 anos, sem sinais significativos de corrosão.

Plástico reforçado de fibra (FRP): também como o alumínio é muito utilizado, pois

pode ser fabricado em diversas formas e tamanhos, além de ser resistente à

corrosão. Para maior durabilidade, é recomendado o uso de resina apropriada que


___________________________________________________________________________

proteger da ação dos raios UV, evitando o ressecamento do material, que em geral

dura de 20 a 25 anos.

Ainda segundo STUETZ (2001) o custo total da cobertura é afetado pelos seguintes

fatores:

• Custo da matéria-prima;

• Disponibilidade local do material;

• Facilidade no transporte;

• Facilidade na instalação;

• Perdas durante instalação.

O custo relativo dos principais materiais é mostrado no Quadro 3.3.

Materiais Madeira Concreto Tecido Alumínio FRP

Custo relativo Baixo Baixo Moderado Alto Alto

Quadro 3.3- Comparação de custo de vários materiais. Fonte: Stuetz, 2001.

As coberturas instaladas nas estações de tratamento de águas residuárias serão

cada vez mais visíveis no futuro, devido à redução da zona transferência dos gases.

A estética é influenciada por:

• Tamanho e forma do sistema de cobertura,

• O material escolhido, influenciando na textura e refletividade;

• A cor da cobertura em relação ao ambiente em ao redor e em relação a

outras estruturas construídas.

Segundo Stuetz (2001), há três tipos de configuração das coberturas para ETE:

cobertura baixa, alta e baixa com a alta.

A cobertura baixa é caracterizada por apresentar pouco volume entre o líquido e a

cobertura. Nessa cobertura o acesso à manutenção é fornecido por escotilha ou

seção removível, porém a inspeção visual e coleta de amostras para teste de rotina

são difíceis, assim como a manutenção e limpeza dos tanques.


___________________________________________________________________________

Já as coberturas altas têm altura suficiente para entrar uma pessoa ou equipamento

de manutenção, com portas para inspeção e manutenção. Se necessário, podem ter

seções removíveis para o uso de grandes maquinarias na manutenção. Nesse tipo

de cobertura é interessante trabalhar com pressão negativa no tanque coberto, para

evitar emissões fugitivas durante a abertura da porta.

As coberturas baixas associadas as coberturas altas são utilizadas quando gases

tóxicos não podem escapar da primeira cobertura, sendo assim fornecem mais

segurança para emissões fugitivas.

Esse tipo de configuração das coberturas (baixa + alta) são aplicadas em canais de

coleta, tanques de sedimentação circular e tanques de aeração retangular.

Geralmente nos tanques de sedimentação circular utilizam-se as coberturas altas

devido as pontes existentes nos tanques de tratamento, embora seja preferível a

cobertura alta com a baixa para evitar emissões fugitivas, porém esse tipo de

cobertura tem um alto custo.

Em suma as coberturas baixas são mais econômicas que as altas, baseado no custo

capital e operacional.

Os gases coletados nessas coberturas são canalizados, e com o auxílio de um

sistema de exaustão, são encaminhados para algum tipo de sistema de tratamento.

3.6 Processos de Tratamento de Odores

Existem várias medidas que podem ser tomadas na fonte odorante para minimizar

as emissões dos gases odorantes. Embora essas medidas tenham em geral baixo

custo, a prevenção da poluição do ar por odores nem sempre é fácil de programar,

porque os processos que geram os gases podem ser difíceis de controlar.

Nos casos onde não existem medidas para minimização dos efeitos dos gases

odorantes, ou onde essas medidas não são eficientes, há a necessidade de se

implementar uma tecnologia de tratamento desses gases. Segundo Frenchen


___________________________________________________________________________

(1988), existem três diferentes princípios que podem ser usados para desodorização

de ar contaminado, resultando em diferentes tecnologias, visto no Quadro 3.4.

Princípio Tipos de plantas

Biológico (oxidação) Biofiltração

Tratamento biológico de lodo ativado Biolavadores

Químico (oxidação)

Ozonização Lavadores químicos de gás

Oxidação térmica Oxidação catalítica

Físico (remoção simples) Adsorção: preferencialmente com carvão Absorção: lavadores com água pura

Quadro 3.4- Principais processos e tipos de plantas para desodorização de ar. Fonte: Frenchen, 1994.

O tratamento bioquímico é efetivo para baixas concentrações de contaminantes em

grande quantidade de ar. Por outro lado, o tratamento químico requer adição de

substâncias agressivas, causando problemas ao meio ambiente, enquanto os

processos físicos não eliminam, mas transferem os poluentes para um novo fluido a

ser tratado (YUWONO, 2004).

3.6.1 Processos Físicos

Consiste principalmente nos processos de adsorção e absorção.

Absorção: Consiste numa absorção (gás/líquido), e é aplicado quando o composto

gasoso a ser tratado é estável. Os equipamentos são conhecidos como lavadores de

gases ou “scrubbers”, e são torres onde o ar poluído passa em contra corrente com

a água. A eficiência é influenciada pelo tempo de residência do gás no equipamento,

da área interfacial e das propriedades físico-químicas do composto (BELLI FILHO et

al., 2001).

A transferência de massa depende da concentração do poluente e do coeficiente de

volatilização do composto na água e no ar (SMET, 1998). Uma importante

consideração econômica é possibilitada com a recirculação do líquido, obtendo-se

por conseqüência o máximo de oxidação química. Alguns dos compostos odorantes


___________________________________________________________________________

que podem ser removidos pelas colunas de lavagem são: ácido sulfídrico,

mercaptanas, dióxido de enxofre, amônia e alguns compostos orgânicos.

Adsorção: Corresponde à transferência de uma molécula de uma fase gasosa para

uma fase sólida, acontece de forma instantânea e com baixa energia. Para realizar a

adsorção podem ser utilizados diferentes materiais porosos, sendo o carvão ativado

o mais empregado (CHERNICHARO, 2001).

Fatores que afetam a adsorção: tipo de adsorvente, tipo e concentração de

contaminantes, pressão, temperatura e umidade relativa. A capacidade de adsorção

aumenta, proporcionalmente, com a pressão, com a concentração do gás, com o

peso molecular dos compostos odorantes, com a área superficial do meio

adsorvente, com o tempo de contato e com o ponto de ebulição. Em contrapartida, a

alta umidade relativa pode reduzir a capacidade de adsorção de substâncias

orgânicas de peso molecular baixo e reduzido ponto de ebulição (SILVA, 2003).

Dentre as vantagens deste sistema, têm-se: alta eficiência de remoção, operação

contínua e regeneração do meio adsorvente.

3.6.2 Processos Químicos

Incineração: o tratamento de odores por incineração consiste na combustão térmica

ou catalítica dos compostos odorantes (FNDAE, 2004). Existem dois métodos de

oxidação do ar: a oxidação catalítica e a oxidação térmica (incineradores de chama

direta).

No processo de chama direta, o gás odorante é misturado com os gases de

combustão e aquecido a temperaturas que variam de 700 a 1000 ºC (FNDAE, 2004).

Quanto menor a temperatura de aquecimento, maior deverá ser o tempo de

detenção do gás, para que se possa atingir satisfatoriamente a oxidação e

conseqüentemente a remoção do odor. As maiores vantagens desse método são o

menor custo de manutenção e a melhor eliminação de odor.


___________________________________________________________________________

O processo de oxidação catalítica é capaz de eliminar o odor a temperaturas muito

mais baixas que as utilizadas na oxidação térmica. A faixa de temperatura utilizada

para a combustão está na faixa de 300 a 450ºC (FNDAE, 2004). Para ser efetivo, a

concentração do gás odorante deve ser no mínimo de 1000 a 1500ppm, sendo isso,

portanto, um limitação ao seu uso. Os catalisadores mais comuns são platina e

paládio, além dos óxidos de cobre, níquel, cromo e manganês. A maior vantagem

desse processo é o baixo consumo de combustível. Há, porém, um alto custo de

energia.

Ozonização: o ozônio é um forte agente oxidante. É também considerado um

efetivo desinfetante, quando o nível de bactérias é baixo. Tem sido bastante utilizado

para tratar gases odorantes em plantas de tratamento de esgoto sanitário, face à

sua eficiência no tratamento do ar atmosférico contaminado com H2S (ASCE e WEF,

1995). Por outro lado, não é eficaz no controle de H2S na fase líquida. Apresenta

elevado custo, associado a geração de ozônio, só sendo recomendada sua

utilização em grandes estações de tratamento de esgoto.

Exemplos de reações do ozônio com o ácido sulfídrico são dados nas equações

3.11 e 3.12:

H2S + O3 S + H2O + O2 Equação 3.11

H2S + O3 SO2+ H2O Equação 3.12

Adição de reagentes químicos: o controle de odor liberado através da adição de

compostos químicos consiste na reação entre o composto gasoso e o químico

adicionado. Esta forma de tratamento altera a concentração do componente

odorante e conseqüentemente diminui a emissão desse componente. Um exemplo

comum é o tratamento de sulfeto de hidrogênio liberado em ETE, onde um reagente

químico é adicionado alterando o balanço de oxigênio no esgoto. Dessa forma,

ocorre uma maior oxidação H2S. Dentre as substâncias químicas utilizadas, pode-se

citar: cloro, hipoclorito de sódio, peróxido de hidrogênio, permanganato de potássio,

nitrato e metais (YUWONO, 2004).

O gás cloro (Cl2) é um forte agente oxidante, que reage diretamente com muitos

tipos de moléculas odorantes, incluindo o ácido sulfídrico, sulfetos orgânicos e


___________________________________________________________________________

mercaptanas (BOWKER, 2000). O cloro pode ser adicionado sob a forma de

hipoclorito ou de gás.

A reação entre a solução de cloro com o H2S resulta na oxidação de sulfeto para

formar enxofre coloidal ou sulfato, com a produção de ácido clorídrico, segundo as

reações a seguir:

∗ em condições ácidas

HOCl + H2S S + HCl + H2O Equação 3.13

∗ em condições alcalinas

S2- + 4Cl2 + 8OH- SO4= + 8Cl- + 4 H2O Equação 3.14

Se a reação 3.14 ocorrer preferencialmente, haverá uma grande quantidade de

sulfato disponível para as bactérias anaeróbias, aumentando a fonte de liberação de

compostos odorantes (BOWKER, 2000).

O peróxido de hidrogênio (H2O2) é um desinfetante fraco, porém um oxidante

eficiente para controle de odor. A reação química envolvendo o processo entre o

H2O2 e H2S é (EPA, 1985):

H2O2 + H2S 2H2O + S Equação 3.15

As principais vantagens do uso da H2O2 para controle de odor são: o sistema de

alimentação químico é relativamente simples e barato, a reação entre o sulfeto ou

outros constituintes do esgoto produz subprodutos inofensivos, a decomposição de

H2O2 em excesso resulta em adição de OD à corrente e a reação com o H2S é

rápida (EPA, 1985).

Sais metálicos bi e trivalentes podem se combinar com sulfeto para formar

precipitado insolúvel, reduzindo odores, porém alguns sais são tóxicos para o

crescimento biológico e podem inibir outros crescimentos, afetando o processo de

tratamento biológico. O precipitado formado, quando se usam metais (ferro e zinco)

para controle de odor, deve ser altamente insolúvel, para assegurar eficientemente o

controle de odor. As equações abaixo mostram as reações que ocorrem quando íons

férrico ou ferroso se combinam com sulfeto em solução:


___________________________________________________________________________

2Fe3+ + S= 3Fe2+ + S0 Equação 3.16

Fe2+ + S= FeS Kps= 5x10-18 Equação 3.17

O permanganato de potássio (KMnO4) reage com muitos compostos odorantes,

incluindo os alifáticos, os aromáticos, os que contêm nitrogênio, os que contêm

enxofre, além dos compostos inorgânicos. A reação com o ácido sulfídrico é

representada abaixo (EPA, 1985):

∗ em condições ácidas

3 H2S + 2 KMnO4 3 S0 + 2 H2O + 2 KOH + 2MnO2 Equação 3.18

∗ em condições alcalinas

3 H2S + 8 KMnO4 3 K2SO4 + 2 H2O + 2 KOH + 8MnO2 Equação 3.19

3.6.3 Processos Biológicos

O princípio bioquímico de tratamento de gases (biodesodorização) reproduz os

processos que são realizados naturalmente nos solos e nas águas.

Os processos biológicos de tratamento de gases consistem na transferência de

compostos voláteis, com maus odores, para uma fase líquida e, em seguida, na

degradação, por meio de microrganismos. Aplica-se este processo para produtos

biodegradáveis e relativamente solúveis em soluções aquosas (BELLI FILHO et al.,

2001).

A biodegradabilidade, que é a degradação através de processos biológicos naturais,

de um composto, depende da função química que o constitui, como pode ser

percebido no Quadro 3.5. A taxa de degradação é mais baixa quando a temperatura

é mais baixa (WANG, 1996).


___________________________________________________________________________

Velocidade de biodegradação Compostos e famílias

Alta Álcoois, aldeídos, cetonas, ésteres, éteres, ácidos orgânicos, aminas, mercaptanas, H2S, NOx, SO2, HCl, NH3, PH3, SiH4, HF.

Baixa Hidrocarbonetos, fenóis, cloreto de metila Muito baixa Hidrocarbonetos halogenados, hidrocarbonetos poliaromáticos, CS2 Quadro 3.5- Velocidade de biodegradação segundo função química do composto. Fonte: Bohn, 1993 apud Belli Filho et al. 2001

Tecnologias biológicas têm se tornado populares durante os recentes anos devido a

sua simples operação, baixo custo e não agressão ao meio ambiente. Numerosas

bactérias são capazes de oxidar H2S e são então potenciais candidatas ao uso na

tecnologia de dessulfurização de gases.

Segundo Bohn (1992), a purificação biológica dos gases odorantes pode ser dividida

em dois processos consecutivos:

• absorção de componentes do gás na água ;

• oxidação biológica das substâncias absorvidas.

Esses processos podem ocorrer juntos, na mesma unidade de tratamento ou em

separado. Na biofiltração, esses processos ocorrem juntos, enquanto que na

biolavagem, a absorção e a oxidação ocorrem em separado.

3.6.3.1 Biofiltração

Biofiltração é uma tecnologia de limpeza de ar que usa microorganismos para

quebrar compostos odorantes em compostos não odorantes. É um processo em que

o gás poluído é purificado através de sua passagem por um meio poroso

biologicamente ativo. Isso oferece um número de vantagens para tratar gases

poluídos com baixas concentrações de compostos químicos (WU, 1998).

Os compostos são absorvidos, principalmente a água, o gás carbônico, os sais

minerais, alguns compostos orgânicos voláteis e microorganismos, e então

biologicamente degradados. O equipamento para efetuar este processo é simples e

requer pouca energia. Nesse processo, a unidade de tratamento denomina-se

biofiltro, que se trata de reatores trifásicos, de leito empacotado, empregando

partículas porosas de base orgânica. O biofiltro consiste de um recipiente com


___________________________________________________________________________

material orgânico habitado com microorganismos, onde o ar odorante é passado,

usualmente em fluxo ascendente. O ar que entra pode ser pré-umidificado para

manter a umidade adequada no leito orgânico (MCNEVIN, 2000).

Os meios suportes utilizados nos biofiltros são classificados em dois grandes grupos:

meio natural e meio sintético. Em meio natural, como solo, turfa, composto e cascas,

os microorganismos estão distribuídos uniformemente nestas partículas. Os

nutrientes necessários para o crescimento da biomassa e síntese são fornecidos por

esses materiais. Os meios sintéticos são biologicamente inativos (WANG, 1996).

Os tipos de fenômenos que ocorrem entre o meio filtrante e os solutos são: a

solubilidade ou adsorção dos poluentes (adsorção física devido às interações de

Van der Vaals entre o soluto e a superfície do substrato) e metabolização por

microorganismos (CARVALHO et al., 2001). Os processos de metabolismo podem

ser em princípio aeróbicos ou anaeróbicos, mas muitos processos de biofiltração são

aeróbicos, empregando bactérias heterotróficas ou quimioheterotróficas. A Figura

3.5 representa os eventos que ocorrem no biofiltro durante o tratamento de ácido

sulfídrico e amônia.

H2S NH3

HS- NH4+

Autotrófico aeróbio(Thiobacillus)Heterotrófica

Autotrófica (Nitrobacter e

Nitrossomonas)

AlcalinidadeFósforo

NitrogênioOligoelementos

AlcalinidadeFósforo

Oligoelementos

S SO42- NO2

- NO3-

Gás Poluente

Transferência em meio úmido

Biomassa

Necessidade de nutrientes

Produto final

Figura 3.5: Mecanismos biológicos para eliminar H2S e NH3 Fonte: adaptado de Belli Filho, 1995 apud Belli Filho et al, 2001.

Os biofiltros são fáceis de projetar e construir e são, também, relativamente baratos.


___________________________________________________________________________

A profundidade do leito de um biofiltro varia de 0,5 a 2,5 metros (MCNEVIN, 2000).

Dentre as principais vantagens do biofiltro, têm-se: planta simples e flexível; eficiente

no tratamento de altos volumes e baixa concentração dos compostos sulfurosos;

remoção de 99% de aldeídos, ácidos orgânicos, dióxido de enxofre, óxidos de

nitrogênio e sulfeto de hidrogênio; 90% de remoção de metano, propano e

isobutano; pode tratar compostos com baixa solubilidade devido ao alto tempo de

residência (930 - 60s) e grande área superficial (300 - 1000 m2/m3) (BURGESS,

2001).

A biofiltração é viável e possui uma excelente relação custo-benefício para

tratamento de correntes de ar com baixa concentração de poluentes. O baixo custo

de operação resulta da utilização da oxidação microbiológica nas condições

ambientes. Sob determinadas condições, alta eficiência de remoção pode ser

alcançada e o processo não agride o meio ambiente. Então, a biofiltração tem sido

usada em escala comercial para controle de odor no tratamento de esgotos por

muitos anos e é promissora também para controle na emissão de solventes (WU,

1998).

3.6.3.2 Biopercolação (“Trickling biofilter”) Este sistema também pode ser considerado como um biofiltro, um pouco diferente

dos convencionais, pois é mais complexo. O biopercolador é mais efetivo que o

biofiltro convencional, especialmente para o tratamento de compostos que geram

ácidos como subprodutos, a exemplo do H2S. Ele é, na verdade, um lavador

biológico de gases (SILVA, 2003). O biopercolador se distingue do biofiltro pela

circulação contínua de uma fase líquida, a favor ou contra corrente ao ar (Figura

3.6).


___________________________________________________________________________

Figura 3.6: Esquema de um “Trickling biofilter”.

Fonte: WEF e ASCE, 1995.

A recirculação da água mantém a umidade do meio suporte e favorece o

desenvolvimento da biomassa. Os materiais suporte podem ser cubos de

poliuretano, enchimento com meio plástico, bolas de vidro, etc. A inoculação de

microorganismos é obrigatória para o desenvolvimento de leitos bacterianos sobre o

meio suporte.

A corrente de ar passa através da massa microbiológica imobilizada sobre o meio

suporte com alta área superficial. O ar é recirculado para garantir a máxima

absorção dos compostos odorantes. A área ativa do filtro é usualmente menor que

50% do total de área específica. Algumas das vantagens são a planta simples e

flexível, o baixo investimento inicial e a possibilidade de tratar ar com uma

concentração de 500ppm de H2S.

Dentre as desvantagens, cita-se o alto tempo de residência requerido para uma

completa dissolução do gás no líquido; a necessidade de substituição regular do

meio suporte; a eficiência de remoção do H2S é de aproximadamente 60%; os

gastos com a manutenção da estrutura e o acúmulo de biomassa excessiva no leito,

que diminui a área superficial e pode causar perda de carga, resultando em uma

diminuição da performance do filtro (BURGESS, 2001).


___________________________________________________________________________

3.6.3.3 Biolavador (“Bioscrubbers”) Contrariamente aos outros processos biológicos de tratamento de gás, apresentados

anteriormente, o biolavador é constituído de dois elementos: um contactor

gás/líquido e um reator biológico/decantador, não dispondo de um meio suporte para

a fixação dos microorganismos. Esta tecnologia permite um tempo de contato para

os compostos absorvidos mais longo que no biofiltro e no bipercolador. A

biolavagem se aplica ao tratamento de produtos voláteis solúveis, em que a

biodegradação é lenta (BELLI FILHO et al., 2001).

A técnica de biolavagem combina dois conhecidos processos: uma unidade de

absorção com material inerte em coluna empacotada (onde os poluentes são

transferidos para a fase líquida) e o bioreator, em que os poluentes são oxidados por

meio de microorganismos (Figura 3.7). Então, os dois subprocessos: transferência

de massa e oxidação biológica têm lugar em separado, mantendo-se, porém, as

unidades interligadas. A fase líquida do bioreator é recirculada dentro da coluna de

absorção, promovendo excelente limpeza do ar e alta solubilidade dos poluentes.

Figura 3.7: Esquema de um “Bioscrubbers”.

Fonte: Burgess, 2001.

O biolavador de gases pode ser caracterizado como um equipamento que emprega

a absorção do poluente da fase gasosa para fase líquida numa coluna de troca,

seguida por degradação da fase líquida num bioreator. A fase líquida do bioreator é

recirculada para a coluna de troca, proporcionando a limpeza do gás. A principal


___________________________________________________________________________

desvantagem ocorre quando o poluente requer um tempo de residência maior para

ser degradado (BURGESS, 2001).

De maneira geral, o biofiltro, o trickling biofilters e o bioscrubbers podem ser

genericamente referenciados como colunas de perfusão orgânica. Eles consistem de

três fases de íntimo contato: a fase sólida (orgânica), a fase líquida e a fase gasosa.

Todas as três fases podem conter nutrientes para degradação. A fase líquida (água

ou solução nutritiva) e a fase de gás são passadas através do meio orgânico sólido,

envolvendo os processos de adsorção e biodegradação aeróbica dos nutrientes no

líquido (MCNEVIN, 2000). O Quadro 3.6 resume as principais vantagens e

desvantagens dos três sistemas.

Quadro 3.6- Vantagens e desvantagens de bioreatores para o tratamento de odor. Fonte: Yuwono, 2004. A Tabela 3.6 sintetiza os parâmetros de vazão e concentração recomendadas para

as diversas tecnologias já citadas neste trabalho.

Biofiltro Trickling biofilter Bioscrubbers Vantagens •Simples operação •Baixo custo de investimento •Degradação de poluentes pouco solúveis em água •Adequado para redução de poluentes odorantes

•Simples operação •Baixo custo de investimento •Adequado para contaminação moderada •Capacidade de controle do pH •Capacidade de adição de nutrientes

•Bom controle do processo •Alta transferência de massa •Adequado para alta concentração de poluentes no ar •Alta estabilidade •Capacidade de adição de nutrientes

Desvantagens

•Baixa taxa do fluxo de ar •Somente para poluentes em baixa concentração •Impossível controle do processo •Canalização do fluxo de ar •Limitado tempo de vida do leito

•Limitado controle do processo •Canalização pode ser um problema •Limitado tempo de vida do leito

•Alto custo de investimento •Produção de biomassa excessiva •Uso de água


___________________________________________________________________________

Tabela 3.6- Faixa de vazão e concentração para várias tecnologias. Tecnologia Vazão Concentração

Bioscrubbing 200-20.000 m3/h 10-40 g/m3 Incineração 10.000-100.000 m3/h 8-140 g/m3 Oxidação catalítica 10.000-100.000 m3/h 500-6.000 ppm Adsorção regenerativa 100-10.000 m3/h 500-6.000 ppm Biofiltração 60-300.000 m3/h <1-25 ppm Biotrickling filter 10-300.000 m3/h 20-5.000 ppm

Fonte: Govind, 1999 - adaptada.

Em seu artigo, Govind (1999) também aborda a questão dos custos de implantação

e operação e mostra que o biofiltro é a tecnologia que apresenta o menor valor nos

dois casos.

3.7 Biofiltro

O biofiltro é uma coluna contendo biomassa biologicamente ativa. Compostos

orgânicos presentes na corrente de gás são degradados enquanto eles são usados

como substratos para o crescimento da biomassa. Durante este processo, biomassa

é sintetizada, dióxido de carbono e água são tipicamente os produtos finais do

processo de biodegradação (WANG, 1996).

Três fatores importantes determinam a desempenho de biofiltros: 1) o tipo de meio

filtrante, 2) as condições características do fluxo do gás dentro do biofiltro e 3)

concentração do substrato, a solubilidade e a biodegradabilidade (MORGAN-

SAGASTUME, 2005).

Uma maior profundidade do leito requer menor área do terreno, mas resulta em alta

perda de carga através do leito. As Figuras 3.8 e 3.9 esquematizam dois modelos de

biofiltros. O tempo de vida do leito de um biofiltro pode variar de 3 meses a 4 anos

(MCNEVIN, 2000).


___________________________________________________________________________

Figura 3.8: Esquema de um biofiltro fechado.

Fonte: WEF e ASCE (1995).

Figura 3.9: Esquema de um biofiltro aberto preenchido com solo.

Fonte: WEF e ASCE, 1995.

O bom funcionamento dos biofiltros exige um eficiente meio de contato para o

crescimento da biomassa bacteriana e suficiente suprimento de ar. O biofiltro é de

fácil manutenção, sendo indicado para tratamento de baixas vazões de ar

contaminado (LUDUVICE et al., 1997).

Se o leito do biofiltro não é regado, o ar odorante deverá ser umidificado

previamente para evitar a secagem do leito orgânico (MCNEVIN, 2000). Por isso,

muitos pesquisadores instalam uma coluna umidificadora, por onde passa o ar

contaminado, antes da entrada no biofiltro (Figuras 3.10, 3.11, 3.12, 3.13, 3.14,

3.15).


___________________________________________________________________________

Figura 3.10: Esquema de umidificação utilizado por Wani (1998).

Figura 3.11: Esquema de umidificação utilizado por McNevin (2000).

Figura 3.12: Esquema de umidificação utilizado por Morgan-Sagastume (2005).

Figura 3.13: Esquema de umidificação utilizado por Mohseni (2000).

Figura 3.14: Esquema de umidificação utilizado por Otten (2004).

Figura 3.15: Esquema de umidificação utilizado por Delhoménie (2002).


___________________________________________________________________________

3.7.1 Materiais suportes para os biofiltros

O meio de um biofiltro deve ter como requisitos básicos suficiente porosidade e

uniformidade de tamanho das partículas, grande área superficial e habilidade para

suportar a microflora. O solo tem sido extremamente usado em biofiltros em todo o

mundo. A razão primária é sua disponibilidade, o fato de ele conter matéria orgânica,

ser poroso, suportar a população microbiológica, etc. O material proveniente de

compostagem tem sido usado consideravelmente nos últimos anos porque possui

maior diversidade e concentração da população microbiológica que o solo. Ademais,

o composto possui grande área superficial e alta permeabilidade do ar e da água,

com esses fatores e utilizando-se pequenas áreas de filtro pode-se alcançar um

nível de controle de odor similar ao solo (ASCE, 1995).

O material filtrante ótimo deve possuir as seguintes características: Alta capacidade

de reter umidade para evitar a secagem do leito, o conteúdo de umidade deve estar

entre 40 e 60% para sustentar a atividade microbiológica requerida; o volume dos

poros no filtro deve ser maior que 80% e diâmetro de 60% das partículas deverá ser

maior que 4,0 mm, para uma melhor distribuição do gás poluído; haver suficiente

quantidade de nutrientes para crescimento ótimo requerido pelos microorganismos;

o pH e a temperatura do leito devem ser mantido entre 7-8 e 20-40ºC,

respectivamente, para promover a oxidação biológica (CHAN, 2005).

3.7.1.1 Solo

Biofiltros de solo são utilizados em estações de tratamento de esgoto nos Estados

Unidos desde a década de 60 (CARLSON, 1966). Alguns biofiltros de solo estão em

operação ininterrupta por mais de 20 anos na Europa e também nos EUA, enquanto

alguns biofiltros de composto têm um tempo de vida útil de até 5 anos (CARLSON,

1966). O solo é um tipo de suporte mais estável físico-quimicamente do que os

resíduos de compostagem, e essa característica reduz a probabilidade de

compactação do leito (EASTER, 2005).


___________________________________________________________________________

Dentre as principais vantagens citadas por diversos autores, tem-se o fato de ser o

solo um material muito estudado e utilizado, adequado para baixas concentrações

de contaminante, ampla disponibilidade e baixo custo (GOVIND, 1999). Com relação

às desvantagens, tem-se que o solo está mais propenso a formação de canais e

conseqüentemente má distribuição do fluxo de ar, necessita de umidificação, possui

baixa capacidade de adsorção, e, se comparado aos resíduos de compostagem,

possui menor diversidade microbiológica (GOVIND, 1999).

Em estudo realizado por Kikuchi (2000), um biofiltro de solo aplicado ao tratamento

de gás proveniente de um fermentador mostrou uma eficiência total de remoção de

99% dos seguintes poluentes: amônia, metilmercaptana, dimetil sulfeto, dimetil

disulfeto, trimetil amina e acetaldeído.

Um trabalho desenvolvido por Easter (2005) comparou três diferentes materiais de

preenchimento de biofiltro (solo, composto e meio sintético) na remoção de odor,

H2S, mercaptana, carbonil sulfeto e dimetil sulfeto. O biofiltro de solo proporcionou o

melhor desempenho ao tratar odor, H2S, mercaptana e carbonil sulfeto; e uma

eficiência média de remoção de H2S igual a 99% foi alcançada.

3.7.1.2 Bagaço de Cana

A cana-de-açúcar, Saccharum officinarum spp., é uma das gramíneas mais

cultivadas nas regiões tropicais e é utilizada como matéria-prima básica na produção

de três importantes produtos agro-industriais: açúcar, aguardente e álcool.

O Brasil é o maior produtor de cana-de-açúcar, sendo responsável por 25% da

produção mundial e de seus mais importantes derivados, representados pelos

produtos açúcar e álcool. A produção da matéria-prima no Brasil, em 2006 segundo

o Ministério da Agricultura, foi de 457,98 milhões de toneladas.

Os produtos manufaturados da cana derivam do caldo extraído do caule. A

tecnologia usada para extração do caldo consiste em moendas, que são constituídas


___________________________________________________________________________

por rolos pesados que rompem, por compressão, as células da cana, extraindo a

maior parte do caldo. Depois desse processo, resta o bagaço.

O bagaço de cana é o maior resíduo da agroindústria brasileira. Só no ano de 2005,

segundo o Ministério da Agricultura, a indústria sucroalcooleira gerou 106,47 milhões

de toneladas desse resíduo. Ele é, geralmente, descartado e pode ter finalidades

diferentes como: matéria-prima para geração de energia por meio da incineração,

material de adubação no próprio campo de produção, matéria-prima para produção

de celulose, polpas e outros. Ainda assim, o excedente deste resíduo que não é

utilizado, vem causando sérios problemas de estocagem e de poluição ambiental.

Vem-se buscando alternativas para a utilização racional desses bagaços. Uma

dessas alternativas é a sua utilização como meio suporte para filtros

desodorizadores.

Tacla (2004) testou o bagaço de cana como meio suporte para biofiltro.

Primeiramente ela tratou o material; lavou, secou e moeu, em seguida inoculou

microorganismos a partir de lodo proveniente de uma estação de tratamento de

efluente de uma indústria de papel e celulose. Um filtro apenas com o bagaço e

água foi montado como teste branco. Os resultados mostraram uma eficiência de

remoção do H2S de 42,95% no biofiltro com lodo e de 88,59% no biofiltro teste.

3.7.1.3 Palha de café

A planta Coffea sp tem origem asiática e chegou ao Brasil no século XVIII, desde

então seu cultivo, comércio e consumo estão sedimentados na cultura brasileira. A

bebida produzida a partir do fruto torrado tornou-se popular em todas as regiões

brasileiras.

Atualmente, o Brasil é o maior produtor mundial de café, em 2007 foram 32,6

milhões de sacas (60Kg), o que representa 28,6% da produção mundial, sendo

grande parte destinada à exportação. O estado do Espírito Santo é o segundo maior

produtor de café, atrás apenas de Minas Gerais.


___________________________________________________________________________

O beneficiamento do café ainda é feito de forma quase artesanal no Brasil, e esta é

uma vantagem no momento da exportação, pois, dessa forma, incorpora-se mais

sabor à bebida produzida.

O fruto maduro é colhido e os grãos passam por um processo de secagem, que

pode ser feita ao ar livre ou em máquinas, esta etapa objetiva a perda de umidade

do grão. Em seguida, procede-se a separação da casca do grão. Nesta etapa –

chamada de Pila – ocorre a formação do principal resíduo de todo processo, a palha

do café. Daí em diante, ocorrem a torra e a moagem para formação do pó.

A palha de café é um resíduo seco, mas possui alto teor de carbono e nitrogênio –

um dos principais elementos para o desenvolvimento de microorganismos. Também

é rico em matéria orgânica.

Com o alto teor de nutrientes, a palha de café é muito utilizada como adubo orgânico

e é empregada ainda como complemento na alimentação de ruminantes.

3.7.2 Dimensionamento de Biofiltros

O dimensionamento dos biofiltros pode ser realizado com base no tempo de

residência do gás no leito, na taxa superficial e na capacidade de eliminação dos

constituintes. Os principais parâmetros de dimensionamento dos biofiltros estão

resumidos no Quadro 3.7.

Parâmetro Unidade Equação Tempo de detenção aparente h Taparente = Vt / Q Tempo de detenção real s Treal = Vt x α / Q Taxa superficial m3/m2/h Ts = Q / A Carga volumétrica mg/m3/h Cv = Q x C0 / Vt Eficiência de remoção % E = (C0 – Ce) / C0 x 100

Quadro 3.7- Parâmetros de dimensionamento e avaliação do meio de enchimento dos biofiltros. Legenda: Vt = volume total do leito (m3); Q = vazão do fluxo de ar (m3/h); α = porosidade do meio de enchimento; A = área superficial do leito; C0 = concentração do poluente na entrada (g/m3); Ce = concentração do poluente na saída (g/m3). Fonte: Antunes e Mano, 2004 - adaptada.


___________________________________________________________________________

Após avaliação de vários estudos já realizados, Antunes e Mano (2004)

selecionaram uma faixa com os valores utilizados dos parâmetros citados no Quadro

3.7(Tabela 3.7).

Tabela 3.7- Parâmetros de dimensionamento de biofiltros – faixa de recomendação. Parâmetro Unidade Biofiltros

Tempo de retenção real h 30 - 60 Profundidade do meio m 1 - 1,25 Concentração do poluente na entrada g/m3 0,01 - 0,5 Taxa superficial m3/m2/h 10 -100 Pressão máxima mm coluna H2O 50 - 100 Fonte: Antunes e Mano, 2004 - adaptada.

Na maioria dos projetos, é utilizada uma instalação experimental para só depois

dimensionar os biofiltros em escala real. A Figura 3.16 apresenta um organograma,

que permite estimar as dimensões de um biofiltro em escala industrial, a partir de

dados de um estudo piloto.

Figura 3.16: Princípio de dimensionamento de unidades de filtração.

Legenda: Q = vazão de ar; C = concentração inicial do poluente; Cv = carga volumétrica; V = volume do leito; S = área do leito; H = altura do leito; V = velocidade de passagem do fluxo de ar. Fonte: Laplanche, 1999 apud Belli Filho et al., 2001.

Para efeito de dimensionamento, normalmente impõe-se a concentração inicial do

poluente e a vazão de alimentação do biofiltro. A partir daí determina-se a carga


___________________________________________________________________________

volumétrica (Cv), que na prática varia de 10 a 100 g/m3.h (Belli Filho et al. 2001).

Então o volume do biofiltro pode ser encontrado através da Equação 3.20.

Equação 3.20 Belli Filho et al. (2001) recomendam que o tempo de retenção esteja entre 5-950 (s)

e que a velocidade (U) esteja entre 30-500 (m/.h).

Um sistema de biofiltração pode ser operado abaixo de sua capacidade máxima

para alcançar uma maior eficiência de remoção do poluente. Esta capacidade de

carga máxima de H2S é específica de determinado meio suporte, dependendo de

características tais como superfície específica, composição química, etc. (Yang e

Allen, 1994). Se o tempo de permanência é muito grande, então, a capacidade

máxima de eliminação do biofiltro não será atingida (McNevin, 2000).

VCCQV .

=

4. Material e Métodos 71

___________________________________________________________________________

4. Material e Métodos

4.1 Generalidades A parte experimental desta pesquisa foi desenvolvida na Estação de Tratamento de

Esgoto Experimental da Universidade Federal do Espírito Santo, localizada no

Campus de Goiabeiras, na região da Grande Vitória – ES. Os trabalhos ocorreram

no período entre fevereiro de 2007 e fevereiro de 2008, e as análises foram

realizadas no Laboratório de Saneamento (LabSan) da UFES.

4.2 Estação de Tratamento de Esgoto Experimental da UFES A ETE – UFES realiza o tratamento de esgoto sanitário de origem doméstica,

proveniente do Bairro Jardim da Penha, vizinho ao Campus Universitário. O esgoto é

proveniente de uma estação elevatória da Companhia Espírito Santense de

Saneamento – CESAN, sendo recalcado para a elevatória da ETE – UFES por meio

de uma bomba submersa à vazão média de 1,0 L/s (Figura 4.1).

Figura 4.1: Estação de Tratamento de Esgoto da UFES.


___________________________________________________________________________

O sistema de pré-tratamento da ETE – UFES é composto por uma peneira estática,

dois dispositivos de remoção de gordura e um gradeamento, localizados a montante

da estação elevatória, de onde o esgoto é bombeado para três processos de

tratamento:

1) reator anaeróbio de manta de lodo (UASB1),

2) filtros biológicos aerados submersos (FBAS),

3) decantador (DEC).

O esgoto armazenado na estação elevatória é conduzido, através de uma bomba

submersível, a uma caixa de alimentação localizada na parte superior do UASB,

sendo posteriormente encaminhado ao UASB. O efluente do UASB segue para o

FBAS e posteriormente para o decantador.

A ETE – UFES foi projetada para tratar esgotos de uma população composta de

aproximadamente 1.000 habitantes. O esgoto bruto aí tratado é exclusivamente

doméstico, cujas características médias atuais estão descritas na Tabela 4.1.

Tabela 4.1- Características médias do esgoto afluente a ETE-UFES.

Parâmetros pH Turbidez (NTU)

DQO (mgO2/L)

Sulfeto (mg/L)

Sulfato (mg/L)

Sólidos Totais (mg/L)

n 10 11 6 3 3 6 Média 7,35 152,6 609,6 12,1 3,2 703,0

Des. Pad. 0,52 46,4 278,2 1,5 1,2 214,0

4.3 Plano Experimental

A pesquisa foi desenvolvida em duas fases, sendo a primeira um estudo da taxa de

emissão na Estação Elevatória (EE) e a outra o monitoramento de biofiltros tratando

a atmosfera da EE.

A pesquisa foi desenvolvida na EE por essa ser uma das unidades com maior

emissão de gases odorantes, e pelo fato desses tanques serem, freqüentemente, 1 Do inglês: Upflow Anaerobic Sludge Blanket


___________________________________________________________________________

instalados em regiões urbanas. Nas grandes cidades as estações elevatórias

funcionam como pontos de interceptação entre a rede de coleta e a estação de

tratamento de esgoto.

O estudo dos biofiltros foi dividido em quatro etapas, que se distinguiram pela

presença/ausência de coluna umidificadora associada ao biofiltro e pelas condições

operacionais. A Tabela 4.2 resume o plano experimental desta pesquisa.

Tabela 4.2- Resumo do plano experimental.

Fase 1 Monitoramento da taxa de emissão do H2S na estação elevatória

Fase 2 Monitoramento dos biofiltros em etapas

Etapa Presença de Coluna Umidificadora Cv média (gH2S/m3.d) Tr (s) I - 1,07 37,68 II X 1,2 37,68 III X 0,73 25,12 IV X 4,04 12,56

Legenda: Cv = carga volumétrica de H2S aplicada; Tr = tempo de detenção aparente no leito.

A fim de avaliar o desempenho dos materiais sobre diferentes condições

operacionais, a altura da parte orgânica do leito do biofiltro foi variável (120, 80 e

40cm) nas diferentes etapas. Ao final de cada etapa fez-se uma média dos dados

de concentração do H2S na entrada, para então determinar a carga média aplicada

nas distintas etapas.

Paralelamente ao monitoramento dos biofiltros foram feitas análises que permitissem

estimar a taxa de emissão de H2S na EE através de um modelo matemático e

compará-la com as observações. Este pequeno estudo, que está descrito no item

4.4.2, foi possível porque a pesquisa já possuía toda estrutura necessária para tal.

4.4 Monitoramento da Taxa de Emissão do H2S

4.4.1 Monitoramento Empírico

A medição da taxa de emissão do ácido sulfídrico fez-se necessária para quantificar

a concentração do poluente na atmosfera a ser filtrada. A técnica usada foi a de


___________________________________________________________________________

Câmara de Fluxo, descrita pela Environmental Protection Agency-EPA

(KLENBUSCH, 1986), que tem sido utilizada por pesquisadores para medir emissão

de enxofre, nitrogênio e compostos orgânicos voláteis.

A metodologia citada requer a construção de uma câmara ou abóboda para

amostrar emissões gasosas provenientes de uma área superficial definida. Um fluxo

de ar para varredura é adicionado seco e limpo à câmara em taxa fixa e controlada,

a concentração do poluente é então medida na única saída existente na área

vedada (Figura 4.2).

Figura 4.2: Esquema básico da metodologia da Câmara de fluxo.

Fonte: Lisboa (2005)-adaptada.

O início da amostragem propriamente dita dá-se apenas após um período de

homogeneização da mistura no interior da campânula, o cálculo do tempo morto é

dado pela equação 4.1. Ainda segundo a metodologia o tempo necessário à

homogeneização do meio (tempo para o sistema atingir um estado estacionário

dentro da câmara) é dado por 4t.

Equação. 4.1

Onde,

t = tempo de homogeinização (s),

Vin = volume interno da câmara (m3),

Q = vazão do ar de arraste (m3/s).

A taxa de emissão é dada pela equação abaixo (Eq. 4.2):

Equação. 4.2

QVt in=

AQYE i

i =


___________________________________________________________________________

Onde,

Ei = taxa de emissão do componente i (mg/m2.s),

Yi = concentração do componente i medida na saída (mg/m3),

A= área da superfície emissora dos gases odorantes (m2).

Recomenda-se medir a concentração do poluente que esta sendo estudado, na

saída da câmara por precipitação em cloreto de mercúrio ou por sensor digital

próprio para o gás a ser analisado.

Para realização desta etapa, a estação elevatória foi enclausurada por uma estrutura

construída com colunas de 1 ½” de aço e lona plástica transparente de 0,5μm, como

mostra a Figura 4.3. A elevatória tem 2,95m de diâmetro e as colunas estão

dispostas a uma distância de 0,5m da estação com uma altura de 1,8m, cobrindo

uma área superficial de 15,6m2. O teto constitui-se de dois arcos cruzados de 0,7m

de altura proporcionando um volume aproximado de 18m3.

Figura 4.3: Câmara de fluxo construída sobre a elevatória.

Um compressor da marca Schulz proporcionou o ar de varredura que seguia para

filtros de carvão, a fim de eliminar interferentes. Em seguida o ar era levado até a

área vedada através de uma mangueira cristal trançada de ½”.

Após entrada na câmara, a mangueira possuía 4 furos para dispersão homogênea

do ar do compressor com o biogás liberado pelo esgoto dentro da elevatória.


___________________________________________________________________________

• Cálculo do tempo de amostragem

Após o período de homogeneização a concentração de H2S foi avaliada na saída da

câmara, feita de um tubo de ¾” (Figura 4.4), por um medidor portátil de H2S com

faixa de medição de 0-1000 partes por bilhão (ppb) (Figura 4.5). O medidor utilizado

era da marca Interscan, serie 4000, com calibração para faixa de 0-500ppb.

Figura 4.4: Saída da câmara. Figura 4.5: Medidor portátil de H2S.

Este estudo compreendeu um período do mês de março e de abril de 2007.

4.4.2 Avaliação da Taxa de Emissão de H2S na EE Observada e Estimada pelo Modelo GPC Para estimar a taxa de emissão através do modelo GPC são necessários dados do

esgoto liquido, por isso foram feitas análises no afluente, esses parâmetros estão

citados no Quadro 4.1.

Parâmetro Metodologia Temperatura Termômetro de mercúrio Vazão de chegada do esgoto Volumetria Concentração de H2S dissolvido Método iodométrico, APHA 1995.

Quadro 4.1- Parâmetros analisados no esgoto e suas respectivas metodologias.

O cálculo da taxa de emissão observada foi feito levando-se em consideração que o

sistema funcionou como uma câmara de fluxo, onde foram feitas medidas da

concentração do H2S na fase gasosa e esta concentração era diluída pelo fluxo de

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

hmmt 3

3

5184 ( )6,34=t ht 4,14=


___________________________________________________________________________

ar promovido pelo compressor dos biofitros. O fluxo de ar proporcionado pelo

compressor foi considerado como o ar de varredura.

A partir disso, utilizou-se a equação 4.2 para calcular a taxa de emissão observada,

a vazão do ar de diluição considerada neste cálculo foi de 45L/min, ou seja, a vazão

necessária para alimentar os três biofiltros e que circulava na câmara. Deve-se

ressaltar que este valor foi considerado porque o compressor trabalhou a maior parte

do tempo ligado, compensando a perda de ar para o sistema.

Outro ponto relevante é que a taxa de emissão observada e estimada foram

calculadas para a unidade – Estação Elevatória – considerando todo o tanque, então

o valor de emissão encontrado não se refere a uma área, mas a uma etapa da ETE.

Sendo assim, não se acrescentou, nos cálculos feitos com a equação 4.2, o valor da

área da EE.

4.5 Monitoramento dos Biofiltros

Para esta fase foram construídos três biofiltros para tratar a atmosfera em torno da

estação elevatória. O dimensionamento dos bioifltros foi feito a partir dos dados de

concentração do H2S obtidos no monitoramento da taxa de emissão. Os parâmetros

de carga volumétrica e taxa superficial estão dentro da faixa recomendada pela

literatura, enquanto o tempo de detenção real e a altura do leito foram avaliados sob

condições extremas.

Nas duas etapas realizadas, o ar foi captado da câmara construída sobre a

elevatória com o auxílio de um compressor, a partir daí o fluxo de ar foi distribuído

igualmente para a entrada dos três filtros. O compressor utilizado era da marca

Schulz, e reservatório de 60L.

Os biofiltros eram do tipo aberto e constituídos de coluna de PVC com 1,5m de

altura e 100mm de diâmetro, conforme esquematizado na Figura 4.6.


___________________________________________________________________________

ENTRADA DE AR

SAÍDA DE AR

20 cm

120 c

m10

cm

Figura 4.6: Esquema do biofiltro.

Já o leito possuía uma parte orgânica e uma base de 20cm de “brita 0” que

proporcionava uma maior distribuição do fluxo de ar. O conjunto com os três

biofiltros recebeu uma cobertura de proteção, evitando assim que os leitos

recebessem água da chuva.

A fim de assegurar a vazão de entrada em cada filtro foram instalados fluxômetros

da marca White Martins com capacidade de medição de 0-15L/min.

A avaliação do desempenho dos biofiltros foi obtida a partir da análise da

concentração de H2S na entrada e na saída dos três filtros com auxílio de um sensor

portátil, em nível de ppb (partes por bilhão). A medição da concentração de H2S era

feita diariamente no mesmo horário, entre 14 e 15h. Também foram observados os

dados climatológicos de temperatura e umidade relativa do ar.

Como o compressor é feito de material ferroso, considerou-se a hipótese de que a o

ácido sulfídrico sofresse oxidação ao passar pelo equipamento. Ocorrendo tal

evento, a concentração do H2S na câmara seria diferente daquela observada na

entrada dos biofiltros. Com base nessa hipótese, as medições de entrada nos

biofiltros foram feitas após a passagem do fluxo de ar por dentro do compressor.

Os materiais orgânicos que compuseram os leitos filtrantes foram (Figura 4.7):


___________________________________________________________________________

• Solo de horta

• Bagaço de cana

• Palha de café + Lodo de esgoto

a)Solo de Horta b)Bagaço de cana c)Palha de café

Figura 4.7: Materiais orgânicos utilizados como leitos filtrantes.

Não houve qualquer custo para adquirir os materiais orgânicos. O solo foi doado por

um morador de Vitória que cultiva uma horta em sua residência, o bagaço de cana

foi cedido por um comerciante de caldos e a palha de café foi fornecida por um

produtor rural do interior do estado. O lodo adicionado à palha de café proveu de um

Reator Anaeróbio Compartimentado (RAC) e foi desaguado por 24h em “bag”.

O lodo foi adicionado à palha de café com o intuito de enriquecer este material com

microorganismos, nutrientes e também aumentar sua umidade. Pode-se dizer então

que o lodo funcionou como um inóculo para a palha.

Uma caracterização prévia dos diferentes materiais foi feita sob os parâmetros de:

pH, umidade, teor de matéria orgânica, granulometria, carbono orgânico, nitrogênio

total, macro e micro elementos. O Quadro 4.2 informa as metodologias seguidas

para realização deste ensaio.

Análise Metodologia pH Método Potenciométrico1 Teor de sólidos NBR 6457/86 Teor de matéria orgânica NBR 13600/96 Porosidade Volumetria 2 Granulometria NBR 7181/84 Carbono orgânico Segundo Ministério da Agricultura3 Nitrogênio total Segundo Ministério da Agricultura3 Quadro 4.2- Metodologias utilizadas na caracterização dos leitos filtrantes. Legenda: 1- Vettori (1969), 2- Descrição da metodologia no anexo B, 3- Manual de Métodos Analíticos Oficiais para Fertilizantes Minerais, Orgânicos, Organominerais e Corretivos (2006).


___________________________________________________________________________

Após avaliar a caracterização dos materiais, decidiu-se utilizar o solo e a palha de

café na forma física em se encontravam, quanto ao bagaço este foi picado para

aumentar sua área superficial. Ao final de cada monitoramento os materiais foram

avaliados novamente sob os mesmos parâmetros para observar as alterações

provocadas pela passagem do ar.

Uma análise prévia do teor de macro e micronutrientes nos materiais foi realizada

com o apoio do Instituto Capixaba de Pesquisa, Assistência Técnica e Extensão

Rural.

Os valores médios de carga volumétrica aplicada (Cv), apresentados nos quatros

monitoramentos dos biofiltros, foram calculados ao final de cada etapa a partir das

concentrações de entrada observadas no referente período.

4.6 Etapa I (Sem coluna umidificadora, Cv= 1,07gH2S/m3.d, Tr= 37,68s)

4.6.1 Aparato Experimental

O sistema foi composto pelo compressor e os três biofiltros sem coluna

umidificadora. Um esquema do sistema desodorizador é mostrado na Figura 4.8, e

fotografias do sistema no local são mostradas nas Figuras 4.9 e 4.10.


___________________________________________________________________________

Figura 4.8: Esquema do sistema desodorizador - etapa I.

Legenda: BF1 = biofiltro de solo, BF2 = biofiltro de cana, BF3= biofiltro de café.

Figura 4.9: Fotografia do compressor conectado a

câmara. Figura 4.10: Fotografia dos biofiltros.

Os parâmetros de funcionamento dos biofiltros são apresentados na Tabela 4.3.

V = 39,0m3

BF1 BF2 BF3


___________________________________________________________________________

Tabela 4.3- Parâmetros de funcionamento dos biofiltros - etapa I. Parâmetro Valor

Taxa Superficial 114,6 m3/m2.h Carga volumétrica média1 1,2 gH2S/m3.d Volume do leito orgânico 9,42 L Volume total do leito 10,99L Vazão 15 L/min Taparente

2 no leito orgânico 37,7 s Taparente

2 no leito total 44,0 s 1- Calculada a partir da concentração média de entrada do H2S, 2- Tempo de detenção aparente.

4.6.2 Monitoramento

O monitoramento aconteceu no mês de agosto de 2007 e teve duração de 23 dias.

As análises realizadas foram as de concentração de H2S na entrada e na saída, de

temperatura e umidade relativa do ar.

A quantidade de material orgânico gasto para composição dos leitos dos biofiltros

encontra-se na Tabela 4.4.

Tabela 4.4- Quantidade de material utilizada na montagem dos biofiltros - etapa I.

Solo de horta Bagaço de cana Palha de café + lodo 8,6Kg 1,67Kg 1,5Kg + 600ml

Ao final desta etapa avaliaram-se os materiais filtrantes segundo os parâmetros de

pH e umidade.

4.7 Etapa II (Com coluna umidificadora, Cv= 1,2gH2S/m3.d, Tr= 37,68s)

4.7.1 Aparato Experimental O sistema foi composto pelo compressor, três colunas umidificadoras e três

biofiltros, o conjunto completo está esquematizado na Figura 4.11.


___________________________________________________________________________

Figura 4.11: Esquema do sistema desodorizador - etapa II.

Legenda: BF = biofiltro; C = coluna umidificadora.

Dessa forma, o sistema compôs-se de três unidades experimentais (Figura 4.12), o

esquema detalhado de uma das unidades é mostrado na Figura 4.13 – as setas

indicam o caminho do fluxo de ar.

Figura 4.12: O sistema desodorizador coluna

umidificadora + biofiltro – três unidades. Figura 4.13: O sistema desodorizador

coluna umidificadora + biofiltro – detalhe.

Filtros

V = 39,0m3

Coluna umidificadora 75mm

Redução para mangueira de 3/8”

Fluxômetro

BF1 BF2

BF3

C1

C3 C2

Fluxo do compressor


___________________________________________________________________________

O compressor e os biofiltros utilizados são os mesmos descritos na primeira etapa.

As colunas umidificadoras são compostas por um tubo de PVC com 75mm de

diâmetro e 1,2m de altura. O líquido contido nas colunas umidificadoras era água da

rede de distribuição a um pH corrigido para 9,0. Essa foi uma medida adotada a fim

de diminuir a acidez do fluxo de ar e, conseqüentemente, aumentar o tempo de vida

do leito orgânico. Uma fotografia do sistema completo é mostrada na Figura 4.14.

Figura 4.14: Fotografia do sistema desodorizador coluna umidificadora + biofiltro.

O sistema de umidificação por coluna de água é um sistema simples de

implementação e não requer manutenção, por isso esse mecanismo foi escolhido

para compor este trabalho.

Os parâmetros de funcionamento dos biofiltros são idênticos aos apresentados na

etapa I (Tabela 4.2); com exceção da carga volumétrica média aplicada, que foi de

1,2 gH2S/m3.d.

4.7.2 Monitoramento

O monitoramento aconteceu por um período de 38 dias entre os meses de setembro

e outubro 2007. Além das medições de H2S e dos dados climatológicos também


___________________________________________________________________________

foram realizadas duas análises cromatográficas do ar na entrada e nas três saídas

dos filtros.

A influência das colunas umidificadoras foi estudada através da observação da

concentração do H2S na entrada na saída das colunas. Este monitoramento foi

realizado paralelamente ao monitoramento dos biofiltros, com medições diárias.

A quantidade de material orgânico gasto para composição dos leitos dos biofiltros

encontra-se na Tabela 4.5.

Tabela 4.5- Quantidade de material utilizado na montagem dos biofiltros - etapa II.

Solo de horta Bagaço de cana Palha de café + lodo 9,75Kg 1,9Kg 1,9Kg + 400ml

Durante a etapa I foi observado o desenvolvimento de colônias fúngicas no leito de

palha de café, por isso a quantidade de lodo utilizada para compor o leito da etapa II

foi menor.

Amostras de ar na entrada e nas saídas dos filtros foram recolhidas para análise

cromatográfica. A coleta foi realizada na primeira e na segunda semanas do

monitoramento. Com o auxílio de seringas as amostras foram bombeadas para

“tedlar bags” e acondicionadas em caixa de isopor e imediatamente as bolsas foram

encaminhadas ao Laboratório de Coqueria da Arcelor Mittal, onde foram analisadas

com um cromatógrado de fase gasosa HP 6890.

4.8 Etapa III (Com coluna umidificadora, Cv= 0,73gH2S/m3.d, Tr= 25,12s)


O sistema utilizado nesta etapa é o mesmo descrito na seção 4.5.1. O objetivo desta

etapa foi de avaliar o desempenho dos biofiltros sob um tempo de detenção menor,


___________________________________________________________________________

e para isso a quantidade de material orgânico utilizado foi reduzida a uma altura de

80cm.

Com alteração na altura do leito orgânico houve modificação de alguns dos

parâmetros de funcionamento dos biofiltros, que podem ser visualizados na Tabela

4.6.

Tabela 4.6- Parâmetros de funcionamento dos biofiltros - etapa III.

Parâmetro Valor Taxa Superficial 114,6 m3/m2.h Carga volumétrica média1 0,73 gH2S/m3.d Volume do leito orgânico 6,28 L Volume total do leito 7,87 L Vazão 15 L/min Taparente



4.8.2 Monitoramento

O monitoramento aconteceu por um período de 38 dias entre os meses de

dezembro/2007 e janeiro/2008.

Não houve troca dos leitos, apenas retirada dos materiais colocados na montagem

inicial da etapa II.

As análises realizadas nesta ocasião foram as de concentração do ácido sulfídrico,

temperatura e umidade relativa do ar.

4.9 Etapa IV (Com coluna umidificadora, Cv= 4,04gH2S/m3.d, Tr= 12,56s)


O objetivo deste monitoramento foi de aumentar a carga de poluente recebida pelos

três leitos, e, para isso, a quantidade de material orgânico utilizado foi novamente


___________________________________________________________________________

reduzida, agora para uma altura de 40cm. Não houve troca dos leitos, apenas

retirada dos resíduos colocados na montagem inicial da etapa II. Os parâmetros de

funcionamento dos biofiltros nesta etapa são apresentados na Tabela 4.7.

Tabela 4.7- Parâmetros de funcionamento dos biofiltros – etapa IV.

Parâmetro Valor Taxa Superficial 114,6m3/m2.h Carga volumétrica Média1 4,04 gH2S/m3.d Volume do leito orgânico 3,14 L Volume total do leito 4,71 L Vazão 15 L/min Taparente



4.9.2 Monitoramento

O monitoramento aconteceu por um período de 20 dias entre os meses de janeiro e

fevereiro de 2008.

Analisou-se a concentração do ácido sulfídrico, a temperatura ambiente e a umidade

relativa do ar.

4.10 Análise dos Resultados

A análise dos resultados foi realizada utilizando planilhas do Excel e programas de

estatística: SPSS 8.0 e Minitab.

Para uma análise descritiva foi necessário um resumo dos dados realizado por meio

de medidas de tendência central (média e mediana) e medidas de variabilidade

(variância e desvio padrão), bem como por meio de gráficos que mostrem de forma

clara, com visualização imediata, os resultados da amostra. As estatísticas

descritivas, que permitem a análise exploratória dos dados são detalhadas no

Quadro 4.3.


___________________________________________________________________________

Tipo Estatística Caracterização da amostra Número de dados (n)

Medida de tendência central Média (*)

Medidas de variação

Valor Mínimo Valor Máximo

Desvio Padrão (**) Coeficiente de variação (***)

Quadro 4.3- Estatísticas básicas de uma amostra. Fonte: Von Sperling, 2005. (*) Média (x) – medida de tendência central, pois representa os fenômenos pelos seus valores

médios, em torno dos quais tendem a concentrar-se os dados.

(**) Desvio padrão (DP) – medida da dispersão ou o grau de concentração dos valores em torno da

média, ou seja, de cada valor em relação à média dos dados.

(***) Coeficiente de variação (CV) – medida relativa de dispersão. Utilizada para a comparação em

termos relativos do grau de concentração em torno da média de séries distintas.

A interpretação dos dados pode ser facilitada através da análise visual de gráficos.

Foram utilizados, na análise exploratória de dados quantitativos, os gráficos de linha,

“box-plot”, gráficos de média e dispersão. O gráfico de caixas (“box-plot”) é utilizado

para permitir uma visualização da tendência central e da variabilidade dos dados de

uma amostra (Figura 4.15), enquanto que os gráficos de dispersão relacionam os

valores de uma variável aos valores de outra variável, sendo bastante útil para

analisar a relação entre duas variáveis (VON SPERLING, 2005).

Limite Inferior4

Quartil inferior (Q1)

Quartil superior (Q3)

Mediana3

Linha Superior2

“Outliers”1

Figura 4.15: Gráfico de “box plot”.

Legenda: 1- valores altamente discrepantes, 2- valores acima dessa linha são considerados discrepantes, 3- divide os dados ao meio, 4- valores abaixo dessa linha são considerados discrepantes.


___________________________________________________________________________

Em seguida foram calculados os testes ANOVA e Tukey, com o objetivo de

comparar os resultados da eficiência das três unidades experimentais. Para todos os

testes realizados, o nível de significância adotado foi de 5%.

5. Resultados e Discussão 90

___________________________________________________________________________

5. Resultados e Discussão

5.1 Monitoramento da Taxa de Emissão de H2S na EE

5.1.1 Monitoramento Empírico

Um gráfico com a série histórica das temperaturas (máxima e mínima) dentro do

câmara no período referente a este monitoramento, é apresentado na Figura 5.1.

15

20

25

30

35

40

27/3 30/3 2/4 5/4 8/4 11/4 14/4 17/4 20/4Data

Tem

pera

tura

(ºC

)

Máxima Mínima

Figura 5.1: Série histórica da temperatura dentro da câmara.

As médias das temperaturas do ambiente, da câmara e do esgoto no período do

monitoramento encontram-se na Tabela 5.1. As altas temperaturas devem-se ao fato

de o estudo ter sido realizado, em parte, no período do verão.

Tabela 5.1- Resumo das temperaturas dentro da câmara.

Temperaturas Médias (ºC) Câmara Máxima Mínima Esgoto

29,4 30,7 21,7 29,5

Os dados obtidos no monitoramento da taxa de emissão da elevatória são

apresentados na Figura 5.2.


___________________________________________________________________________

0,00

0,20

0,40

0,60

0,80

1,00

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Dia

Taxa

de

emis

são

(mg

H2S

/m2 .h

)

Figura 5.2: Medidas da Taxa de emissão de H2S.

O comportamento aleatório do gráfico evidencia como a taxa de emissão é

influenciada por aspectos como temperatura, vazão de chegada do esgoto e

pluviosidade. Os valores encontrados não foram mais altos porque a estação

elevatória estava funcionando com uma vazão baixa, de aproximadamente 0,1L/s.

As variáveis estatísticas obtidas a partir dos dados do monitoramento da fase

gasosa encontram-se na Tabela 5.2.

Tabela 5.2- Estatística descritiva dos dados do monitoramento da taxa de emissão de H2S.

Número Amostral

Média (mg/m2.h)

Máximo (mg/m2.h)

Mínimo (mg/m2.h) Variância Desvio

Padrão 15 0,6 0,88 0,06 0,09 0,31

Um levantamento de outros estudos foi feito para melhor visualização dos dados

desta pesquisa (Tabela 5.3).

Tabela 5.3- Relação da taxa de emissão de H2S com outros autores.

Exemplo Taxa de emissão

Concentração H2S Observação Referência

1 -------- 8,28mg/m3 ETE 250.000m3/dia Al-Shammiri, 2004. 2 7,16 mg/m2.h 0,2 mg/m3 Lagoa de estabilização Belli Filho, 2001.

3 10,95μg/m2.h -------- Lagoa com efluente petroquímico Lisboa , 2005

4 -------- 1 a 3 mg/m3 Elevatória Antunes, 2004. 5 0,6 mg/m2.h 0,57mg/m3 Elevatória (Q= 0,1L/s) Esta pesquisa

Os resultados obtidos por esta pesquisa são, comparativamente, menores que os

encontrados por outros estudiosos. Contudo, estes resultados são condizentes com

o tamanho da unidade estudada – elevatória de uma ETE compacta para pequenas

comunidades.


___________________________________________________________________________

5.1.2 Avaliação da Taxa de Emissão de H2S na EE Observada e Estimada pelo Modelo GPC

Os resultados obtidos nas observações feitas na atmosfera da elevatória, bem como

os calculados pelo modelo GPC foram plotados em gráfico e podem ser visualizados

na Figura 5.3. Os resultados na íntegra para construção deste gráfico podem ser

visualizados no Anexo C.

1,00E-05

1,00E-04

1,00E-03

1,00E-02

1,00E-01

1 5 9 13 17

Observação

Taxa

de

emis

são

H2S

(mg/

s)

Emissão modelo Observado

Figura 5.3: Taxa de emissão de H2S observada e estimada pelo GPC.

Avaliando o comportamento das duas seqüências representadas no gráfico é

possível verificar que o valor estimado pelo GPC acompanha, aproximadamente, a

tendência do valor observado, com uma diferença de fator de 10 entre elas.

Pode-se inferir também que os valores estimados pelo modelo de Gostelow et al.

(2001) ficam mais próximos dos valores observados quando a taxa de emissão é

mais baixa. A Tabela 5.4 traz a estatística descrita deste estudo.

Tabela 5.4- Estatística do estudo de comparação da emissão observada e estimada. n Média Máximo Mínimo Desv. Padrão

Observado 17 0,00048 0,0177 0,00113 0,0051 Estimado 17 0,00568 0,0008 0,00007 0,00022

Um estudo realizado por Soszynski (1997) comparou a taxa de emissão de dois

pontos de ETE com a estimativa de três modelos matemáticos. Os pontos estudados


___________________________________________________________________________

foram a caixa de areia e tanque de aeração, já os modelos matemáticos utilizados

foram WATER 8, BASTE e TOXCHEM +.

A Tabela 5.5 mostra o erro percentual encontrado entre a emissão observada e

estimada no estudo de Soszynski (1997).

Tabela 5.5- Erro percentual em estudo de Soszynski (1997).

Caixa de Areia Tanque de aeração

BASTE TOXCHEM + WATER 8 BASTE TOXCHEM + WATER 8

Estação A

Média -10,8 -17,4 1.386 -23,0 11,9 22,7

Estação B

Média 85,6 56,1 3.575 69,1 -74,0 -46,7

Erro relativo percentual = [modelado-medido/medido] x 100.

As estimativas dos modelos BASTE e TOXCHEM+ são semelhantes às medidas

diretas, enquanto a taxa de emissão predita pelo modelo WATER 8 são muito

maiores que as medidas diretas.

Com o intuito de relacionar os resultados deste trabalho com os de Soszynski

também se calculou o erro percentual relativo entre os dados observados e medidos.

O valor encontrado foi de 1151 utilizando-se cada dado e 1092 utilizando-se as

médias do observado e do estimado.

Pode-se verificar que o modelo utilizado nesta pesquisa superestimou a taxa de

emissão na estação elevatória, mas apresentou um erro relativo menor que o

encontrado por outros pesquisadores com outros modelos. Assim sendo, o modelo

GPC pode ser uma ferramenta útil e prática para estimar a taxa de emissão

dependendo do propósito a ser alcançado, pois considera-se o erro encontrado

muito elevado.

Para esta pesquisa a aplicação do modelo GPC não teve como objetivo a

modelagem em si, mas a avaliação da resposta do mesmo sob o aspecto gasoso.

Em estudo feito por Sá (2004) na ETE-UFES com o H2S na fase líquida, o GPC foi o


___________________________________________________________________________

modelo que apresentou a melhor estimativa, por isso ele foi escolhido neste

trabalho.

Há de se ressaltar que este tipo de estudo, com a utilização da metodologia de

câmara de fluxo na avaliação da taxa de emissão, é feito pela primeira vez pelo

grupo de pesquisa da UFES e que outros trabalhos deste tipo já estão previstos.

5.2 Caracterização dos leitos filtrantes

5.2.1 Caracterização Física

Os resultados das características físicas dos materiais escolhidos por este trabalho

estão na Tabela 5.6.

Tabela 5.6 - Caracterização física dos materiais filtrantes.

Amostra Sólidos (%) P (%) Solo 81,14 47 Bagaço de Cana 49,86 85 Lodo + palha de café 85,78 97 Lengenda: P=porosidade.

Os valores encontrados por esta pesquisa indicam que os materiais selecionados

possuem as características físicas necessárias para serem aplicadas como leito

filtrante de biofiltro desodorizador. A Tabela 5.7 com as características

recomendadas ou encontradas por outros pesquisadores é apresentada para

verificação do potencial dos materiais filtrantes.

Tabela 5.7 - Características físicas recomendadas ou encontradas por outros pesquisadores.

Exemplo Material Sólidos (%) P (%) Referência 1 “Ideal” 50 ± 15 >80 Yang e Allen, 1994 2 Solo 80-20 40-50 MacNevin, 2000 3 Solo 90-75 --------- Burgess, 2001 4 “Ideal” 50-65% 40-80 Antunes, 2004 5 Estrume suíno 40-60% --------- Chan, 2005 6 “Ideal” 40-70% --------- Easter, 2005 7 Composto 35 46 Morgan-Sagastume, 2005 8 Lixo orgânico 63-52 --------- Van Langenhove, 2006


___________________________________________________________________________

Após a determinação da porosidade dos materiais filtrantes foi possível calcular o

tempo de detenção real do biofiltro (Tabela 5.8). Calculou-se então, o tempo de

detenção real do leito orgânico (1,2m) e também de todo o leito (1,4m). Para isso foi

necessário levar em consideração a porosidade da brita que é de 0,52.

Tabela 5.8 - Tempo de detenção real dos biofiltros (Treal).

Tipo de biofiltro Tempo de detenção no leito orgânico (s)

Tempo de detenção no leito total (s)

Solo 17,7 37,3 Cana 32 51,6 Palha de Café 36,5 56,1

Um resumo da granulometria dos materiais utilizados é apresentado na Tabela 5.9.

As curvas granulométricas podem ser visualizadas no Anexo D.

Tabela 5.9- Resumo granulométrico dos materiais filtrantes (%). Pedregulho

Grosso Pedregulho

fino Areia

Grossa Areia Média

Areia Fina

Finos

Solo -------- 27,87 22,19 32,84 17,08 -------- Bagaço de Cana picado -------- 34,05 61,85 3,375 0,725 --------

Palha de café -------- 50,60 46,48 2,91 -------- --------

O solo possui uma natureza arenosa, pois menos de 50% de seus grãos encontram-

se na categoria de finos. Quanto aos outros dois materiais, que são resíduos

orgânicos, não cabe o mesmo tipo de classificação para solos, mas observa-se que,

de maneira geral, eles se enquadram em granulometria média.

Neste trabalho, considerou-se a temperatura do leito como sendo a temperatura

ambiente, pois os biofiltros foram instalados em campo. Os dados de temperatura e

os valores recomendados pela literatura podem ser vistos dentro do capítulo de

monitoramento de cada uma das etapas – itens 5.4, 5.5, 5.6 e 5.7.

5.2.2 Caracterização Química

Os resultados das características químicas dos materiais escolhidos por este

trabalho estão na Tabela 5.10.


___________________________________________________________________________

Tabela 5.10 - Caracterização química dos materiais filtrantes.

Amostra pH Matéria Orgânica (%) Corgânico (%) Ntotal (%) C/Ntotal

Solo 6,78 6,58 10,71 0,47 23,0 Bagaço de Cana 2,88 99,73 44,39 0,21 211,0 Palha de café 5,34 87,56 48,98 2,02 24,0

Lengenda: Ntotal=nitrogênio total.

O bagaço de cana e a palha de café apresentaram um pH ácido e levemente ácido,

respectivamente. O solo, por sua vez encontrava-se numa faixa neutra de pH. Em se

tratando de remoção de H2S, os microorganismos degradadores sobrevivem em

níveis de pH abaixo de 2,0. Então não houve correção do pH de nenhum dos

materiais analisados.

Tanto o bagaço de cana quanto a palha de café mostraram possuir um teor de

matéria orgânica elevado. De acordo com alguns pesquisadores, CHAN (2005) por

exemplo, este parâmetro é essencial para proporcionar um ótimo crescimento

microbiano. A relação carbono nitrogênio encontrava-se acima do recomendado em

todos os materiais.

Um levantamento das características encontradas ou recomendadas por

pesquisadores foi feito e pode ser visto na Tabela 5.11.

Tabela 5.11- Características químicas recomendadas ou encontradas por outros

pesquisadores. Exemplo Material utilizado pH C/N Referência

1 Mistura de resíduo >3,0 >10 Yang e Allen, 1994 2 Solo ---- ---- MacNevin, 2000 3 Solo neutro ---- Burgess, 2001 4 “Ideal” 6-8 ---- Antunes, 2004 5 Estrume suíno 7-8 ---- Chan, 2005 6 Composto 7,5 20 Morgan-Sagastume, 2005 7 Lixo orgânico 5,5 ---- Van Langenhove, 2006

Com relação às características químicas pode-se dizer que apenas com relação ao

pH o bagaço de cana não se enquadra nos valores sugeridos pela literatura.

Os resultados das análises de macro e micronutrientes no solo são apresentados na

Tabela 5.12.


___________________________________________________________________________

Tabela 5.12 - Teor de macro e micronutrientes no solo. P K Na Ca Mg Al Zn Fe Mn Cu B S

mg/dm3 cmolc/dm3 mg/dm3 Solo

102 449 12 6,5 1,7 0,0 9,6 47,8 23,9 1,4 0,63 -

Percebe-se que o solo em questão é rico em fósforo e potássio (P, K) que são uns

dos macronutrientes mais importantes para o desenvolvimento de seres vivos.

Os resultados das análises de macro e micronutrientes na cana e na palha de

café+lodo são apresentados na Tabela 5.13.

Tabela 5.13 - Teor de macro e micronutrientes na cana e no café+lodo.

P K Mg S Ca Na Mo Zn Fe Cu B Mn dag/Kg mg/Kg

Cana 0,06 0,56 0,09 0,04 0,22 - 98,0 23 386 4 5 75

Palha de café + lodo 0,09 1,62 0,08 0,14 0,23 0,04 94,0 55 1179 20 19 29

Em relação aos macro nutrientes, tanto o bagaço de cana quanto a mistura palha de

café+lodo, possuem uma concentração menor que o solo. No bagaço de cana

destacam-se uma alta disponibilidade de molibdênio, ferro, manganês e zinco. Na

palha de café + lodo destacam-se os metais (Zn, Fe, Cu, Mn, Mo)

5.3 Monitoramento dos Biofiltros – Histórico

Ao longo desta pesquisa foram feitas 76 medições da concentração de H2S na

entrada e na saída de cada biofiltro, sendo a etapa I com 13, a etapa II com 30, a

etapa III com 17 e a etapa IV com 16 observações. Um gráfico para cada um deles,

com os valores encontrados em todas essas medições, está representado nas

Figuras 5.4, 5.5 e 5.6.


___________________________________________________________________________

0

200

400

600

800

1000

1200

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80Observações

Conc

entr

ação

de

H2S

(ppb

)Entrada Saída

Figura 5.4: Medições feitas no biofiltro de solo em todas as etapas. Legenda: limite mínimo de percepção do nariz humano.

0

200

400

600

800

1000

1200

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80Observações

Con

cent

raçã

o de

H2S

(ppb

)

Entrada Saída

Figura 5.5: Medições feitas no biofiltro de bagaço de cana em todas as etapas. Legenda: limite mínimo de percepção do nariz humano.

0

200

400

600

800

1000

1200

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80Observações

Conc

entra

ção

de H

2S (p

pb)

Entrada Saída

Figura 5.6: Medições feitas no biofiltro de palha de café + lodo em todas as etapas. Legenda: limite mínimo de percepção do nariz humano.

Etapa I Etapa II Etapa III Etapa IV




___________________________________________________________________________

De maneira geral, os três biofiltros conseguiram reduzir significativamente a

concentração de H2S no fluxo de ar. Comparando-se os três gráficos acima é

possível perceber que o biofiltro de cana passou por um período de estabilização,

pois observam-se picos nas saídas das etapas I e II entre o 5º e o 10º dia.

Também se observa que o desempenho do BF de cana e café na Etapa I não foi tão

satisfatório como nas etapas seguintes. Deve-se também ressalvar a menor

eficiência na etapa IV de todos os biofiltros, quando comparados às etapas II e III.

Considerando o limite de detecção do H2S pelo nariz humano, citado pela EPA

(1985) e que pode ser visto na figura 3.4 deste trabalho, o biofiltro de solo manteve

durante todo o tempo a concentração do H2S abaixo deste limite. Quanto aos

biofiltros de bagaço de cana e de café, este evento ocorreu com algumas exceções.

Gráficos que detalham a eficiência de remoção do H2S em cada etapa desta

pesquisa podem ser visualizados no Anexo E.

5.4 Etapa I (Sem coluna umidificadora, Cv= 1,07gH2S/m3.d, Tr= 37,68s)

5.4.1 Monitoramento do H2S

O monitoramento dos três biofiltros é apresentado em gráficos do tipo dispersão,

onde é possível identificar a concentração de ácido sulfídrico na entrada e na saída

do aparato experimental (Figuras 5.7, 5.8 e 5.9).


___________________________________________________________________________

0100200300400500600700800900

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23

Dias

[H2S

] (pp

b)

Entrada Saída

Figura 5.7: Monitoramento de H2S no biofiltro de solo – etapa I.

0100

200300400

500600700

800900

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23Dias

[H2S

] (pp

b)

Entrada Saída

Figura 5.8: Monitoramento de H2S no biofiltro de cana - etapa I.

0100200300400500600700800900

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23Dias

[H2S

] ppb

Entrada Saída

Figura 5.9: Monitoramento de H2S no biofiltro de café – etapa I.

Podem ser visualizadas algumas interrupções durante este monitoramento, tais

falhas ocorreram devido ao mau funcionamento da bomba submersa responsável

por enviar esgoto do bairro Jardim de Penha para a EE-UEFS.

Observa-se que em todas (100%) as observações feitas na saída do biofiltro de solo,

a concentração de H2S esteve abaixo do limite de percepção pelo nariz humano.


___________________________________________________________________________

Enquanto nos biofiltros de cana e café, das 13 medições feitas nas saídas, as

concentrações ficaram abaixo do limite de percepção em 12 (92,3%) e 11 (86,6%)

observações, respectivamente.

A Tabela 5.14 apresenta um resumo da estatística descritiva dos resultados

(concentração de H2S em ppb) encontrados neste monitoramento.

Tabela 5.14- Estatística descritiva da Etapa I – resultados em ppb de H2S.

Local n* Média Desv. Padrão Máximo Mínimo Eficiência de

remoção (%) Entrada 13 344,08 297,5 800 3 ------ Saída Solo 13 28,92 17,71 54 2 91,0 Saída Cana 13 90,61 116,1 440 2 73,0 Saída Café 13 117,00 132,5 420 2 66,0

* = número amostral.

O biofiltro de cana apresentou uma menor eficiência de remoção (73%),

desempenho que, provavelmente, foi negativamente influenciado pelo processo de

fermentação pelo qual passou o material dentro do biofiltro. Esta hipótese foi

levantada a partir da percepção de um odor alcoólico na saída do biofiltro.

Em seu livro, Madigan (2004) explica que, durante o processo de fermentação, os

microorganismos convertem açúcar a gás carbônico (CO2), água, ácidos e etanol;

este último tem a capacidade de desidratar células ocasionando sua morte, o que

deve ter promovido uma diminuição do número de bactérias presentes no meio,

comprometendo assim a oxidação do H2S.

Durante a filtração, a oxidação de compostos contendo enxofre, nitrogênio e cloro

produz ácidos intermediários ou sub-produtos que podem reduzir o pH do leito e

diminuir a eficiência de remoção dos compostos odorantes. Para conter este tipo de

interferência, conchas e carbonato de cálcio têm sido usados para neutralizar os

produtos ácidos produzidos (CHAN, 2005).

Uma eficiência de remoção de 66% foi obtida pelo biofiltro de palha de café + lodo,

valor que se considera de baixo desempenho. Foram observados indícios do

processo de fermentação como, por exemplo, mau cheiro e colônias de fungo sobre

o material. Provavelmente, a quantidade acrescida de lodo à palha foi excessiva.


___________________________________________________________________________

O biofiltro de solo obteve um desempenho superior ao encontrado por Belli Filho

(2000) 76-81%, que trabalhou com esse mesmo material e concentrações de

entrada da ordem de 10-4 mg/m3.

A eficiência de remoção do poluente (H2S) do ar pode ser avaliada por meio de

gráficos (Figuras 5.10, 5.11 5.12 e 5.13) que relacionam a carga volumétrica

aplicada com a carga volumétrica removida.

y = 0,9775x - 0,0661R2 = 0,9968

0

1

2

3

0 1 2 3Cv aplicada (gH2S/m3.d)

Cv re

mov

ida

(gH

2S/m

3 .d)

Figura 5.10: Eficiência de remoção no biofiltro de solo - etapa I.

y = 0,8622x - 0,1348

R2 = 0,848

0

1

2

3


C v re

mov

ida

(gH

2S/m

3 .d)

Figura 5.11: Eficiência de remoção no biofiltro de cana - etapa I.


___________________________________________________________________________

y = 0,8197x - 0,1715R2 = 0,8019

0

1

2

3

0 1 2 3

Cv aplicada (gH2S/m3.d)

C v re

mov

ida

(gH

2S/m

3 .d)

Figura 5.12: Eficiência de remoção no biofiltro de café - etapa I.

0

1

2

3


C v r

emov

ida

(gH

2S/m

3 .d)

Solo Cana Café

Figura 5.13: Eficiência de remoção nos três biofiltros - etapa I.

Observa-se que no biofiltro de solo a carga removida foi praticamente igual à carga

aplicada para valores até 3,0 g/m3leito.dia. Já os biofiltros de cana de palha de

café+lodo obtiveram um desempenho menor, mas, ainda sim, extremamente

significativo com uma eficiência de remoção acima de 65%.

A Figura 5.14 apresenta uma noção da distribuição dos valores de concentração e

revelam as tendências centrais e dispersão dos dados relativos ao monitoramento

da entrada e das três saídas.


___________________________________________________________________________

Saída CaféSaída CanaSaída SoloEntrada

1000

500

0Conc

entra

ção

de H

2S (p

pb)

Figura 5.14: Dispersão dos dados de concentração do H2S na entrada e saídas - etapa I.

Os resultados referentes a concentração no fluxo de entrada foram responsáveis

pelos maiores valores de dispersão. Os resultados relativos ao desempenho do

biofiltro de solo indicam uma pequena dispersão dos dados com ausência de

“outliers” e conseqüentemente a média bem próxima da mediana. Quanto aos

biofiltros de cana e café, é possível observar uma maior dispersão dos dados e a

presença de “outliers”.

Para melhor comparar o desempenho dos biofiltros, aplicou-se um teste de análise

de variância (ANOVA) nos resultados encontrados. A Tabela 5.15 resume o teste.

Tabela 5.15- Análise de variância - etapa I.

Fonte da variação SQ gl MQ Fcalculado valor-P F crítico Entre grupos 53125,08 2 26562,54 2,5411 0,092828 3,259446Dentro dos grupos 376314 36 10453,17 Total 429439,1 38

Legenda: SQ=soma dos quadrados, gl= graus de liberdade, MQ= quadrado médio.

Sendo o Fcalculado menor que o Fcrítico, conclui-se que os grupos analisados (biofiltros)

apresentam eficiência de remoção semelhante ao nível de 5% de significância

(Vieira, 2006). Conclui-se, então, que com o número de resultados obtidos o

desempenho dos três biofiltros foi semelhante. Contudo o tempo de monitoramento

dos biofiltros foi pequeno, logo estes resultados estão muito influenciados pelo

período de estabilização dos leitos. Acredita-se que, com o tempo, eles poderiam se

diferenciar.


___________________________________________________________________________

5.4.2 Monitoramento da Temperatura Ambiente

A Figura 5.15 contém o gráfico com as temperaturas máximas, mínimas e horárias

do ambiente no período correspondente a esta etapa.

10

15

20

25

30

8/8 13/8 18/8 23/8 28/8

Data

Tem

peratura Ambiente(ºC)

Horária Máxima Mínima

Figura 5.15: Acompanhamento da temperatura ambiente – etapa I.

A Tabela 5.16 sintetiza os dados contidos no gráfico acima.

Tabela 5.16- Resumo dos resultados de registro da temperatura ambiente – etapa I.

Temperaturas (ºC) Máxima Mínima Horária

Média 25,3 18,0 24,2

Como as medições foram feitas no período mais quente do dia, entre 14 e 15 horas,

a temperatura horária ficou mais próxima da máxima observada. Pode-se dizer

inclusive que os biofiltros trabalharam dentro da faixa ótima de temperatura

recomendada por outros autores (Tabela 5.17).

Tabela 5.17 – Faixa de temperatura recomendada para meio suporte.

Exemplo Temperatura Referência Exemplo Temperatura Referência 1 20-40ºC Chan, 2005 4 Ótima = 37ºC Burgess, 2001 2 15-35ºC Antunes, 2004 5 15-40ºC Easter, 2005


___________________________________________________________________________

5.5 Etapa II (Com coluna umidificadora, Cv= 1,2gH2S/m3.d, Tr= 37,68s)


O monitoramento dos três biofiltros é apresentado em gráficos do tipo dispersão,



0

200

400

600

800

1000

1200

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37

Dias

[H2S

] (pp

b)

Entrada Saída

Figura 5.16: Monitoramento de H2S no biofiltro de solo - etapa II.

0

200

400

600

800

1000

1200

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37Dias

[H2S

] (pp

b)

Entrada Saída

Figura 5.17: Monitoramento de H2S no biofiltro de cana - etapa II.

0

200

400

600

800

1000

1200

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37Dias

[H2S

] ppb

Entrada Saída

Figura 5.18: Monitoramento de H2S no biofiltro de café - etapa II.


___________________________________________________________________________

Neste, período verificou-se a ocorrência de valores de concentração de H2S muito

elevados no fluxo de entrada dos biofiltros, suficientes para ultrapassar a capacidade

de leitura do sensor. Isso pode ser observado nos gráficos 5.16, 5.17 e 5.18, onde

esses picos (dias 1, 2, 3, 7 e 8) estão representados na faixa acima de 1000ppb.

Para análise estatística desta etapa as observações nesses dias foram

desconsideradas, por isso o número amostral passou de 26 para 21.

Nesta etapa os biofiltros de solo e café mantiveram 100% das concentrações de H2S

nas saídas abaixo do limite de percepção do nariz humano. O biofiltro de cana

apresentou 88% das concentrações de saída dentro do limite desejado.



Tabela 5.18- Estatística descritiva da etapa II– resultados em ppb de H2S.

Local n* Média Desvio Padrão Máximo Mínimo Eficiência de

remoção (%) Entrada 25 280,52 253,7 863 23 ------ Saída Solo 25 42,77 1732 78 7 88,0 Saída Cana 25 97,41 55,5 563 14 79,0 Saída Café 25 29,45 16,85 76 12 90,0


O biofiltro de solo obteve um desempenho semelhante ao alcançado no primeiro

monitoramento, mantendo uma eficiência de remoção acima de 85%

O biofiltro de cana apresentou uma eficiência de remoção (79,0%) mais significativa

que o observado na primeira etapa. Verifica-se uma alta concentração de H2S na

saída deste biofiltro do 6º ao 12º dia de monitoramento, intervalo que corresponde a

um período próximo de ocorrência do mesmo evento na etapa I. Aqui, então,

reforça-se a idéia de que o bagaço de cana estivesse passando por um processo de

fermentação, o que confirmaria a influência negativa deste processo na eficiência de

remoção do ácido sulfídrico.

Uma eficiência de remoção de 90,0% foi obtida pelo biofiltro de palha de café + lodo,

valor que considera o desempenho de remoção eficiente, semelhante ao obtido por


___________________________________________________________________________

Morgan-Sagastume (2005) com composto – 80-100%. Nesta etapa não foram

observados indícios de fermentação deste leito.


gráficos (Figuras 5.19, 5.20, 5.21 e 5.22), que relacionam a carga volumétrica


y = 0,9423x - 0,0554R2 = 0,988

0

1

2

3

4

0 1 2 3 4


Cv

rem

ovid

a (g

H2S

/m3 .d

)

Figura 5.19: Eficiência de remoção no biofiltro de solo - etapa II.

y = 0,7508x + 0,0057

R2 = 0,8718

0

1

2

3

4

0 1 2 3 4Cv aplicada (gH2S/m3.d)

Cv re

mov

ida

(gH

2S/m

3 .d)

Figura 5.20: Eficiência de remoção no biofiltro de cana - etapa II.


___________________________________________________________________________

y = 0,965x - 0,0468R2 = 0,9976

0

1

2

3

4

0 1 2 3 4


Cv re

mov

ida

(gH

2S/m

3 .d)

Figura 5.21: Eficiência de remoção no biofiltro de café - etapa II.

0

1

2

3

4

0 1 2 3 4Cv aplicada (gH2S/m3.d)

Cv re

mov

ida

(gH

2S/m

3 .d)

Solo Cana Café

Figura 5.22: Eficiência de remoção nos três biofiltros - etapa II.

Observa-se que no biofiltro de solo e no biofiltro de palha de café + lodo a carga

removida foi praticamente igual à carga aplicada para valores até 3,0

gH2S/m3leito.dia.. O mesmo desempenho não foi observado no biofiltro de bagaço

de cana.

A Figura 5.23 apresenta uma noção da distribuição dos valores de concentração e

revelam as tendências centrais e dispersão dos dados relativos ao monitoramento

da entrada e das saídas dos biofiltros.


___________________________________________________________________________

Entrada Saída Solo Saída Cana Saída Café

0

500

1000

Conc

entra

ção

H2S

(ppb

)

Figura 5.23: Dispersão dos dados de concentração do H2S na entrada e saídas - etapa II.

Os resultados referentes à concentração no fluxo de entrada foram responsáveis

pelos maiores valores de dispersão. Os resultados relativos ao desempenho do

biofiltro de solo indicam uma pequena dispersão dos dados com presença de um

único “outlier” e, conseqüentemente, a média bem próxima da mediana. Quanto aos

biofiltros de cana, é possível observar uma maior dispersão dos dados e a presença

de “outliers”. Já o biofiltro de café foi o que apresentou uma menor dispersão dos

dados e a média mais próxima da mediana, verifica-se a presença de alguns

“outliers”.

Para melhor comparar o desempenho dos biofiltros aplicou-se um teste de análise

de variância (ANOVA) nos resultados encontrados. A Tabela 5.19 resume o teste.

Tabela 5.19- Análise de variância - etapa II.

Fonte da variação SQ gl MQ Fcalculado valor-P F crítico Entre grupos 75423,29 2 37711,65 4,714347 0,011439 3,103839Dentro dos grupos 679943,6 85 7999,336 Total 755366,9 87

Legenda: SQ=soma dos quadrados, gl= graus de liberdade, MQ= quadrado médio.

Sendo o Fcalculado maior que o Fcrítico conclui-se que os grupos analisados (biofiltros)

apresentam eficiência média de remoção diferente ao nível de 5% de significância

(VIEIRA, 2006).


___________________________________________________________________________

Para verificar quais tratamentos são diferentes entre si, aplicou-se o teste de Tukey

que é um teste muito conhecido de comparação de médias. Nesse teste calcula-se

um T de referência e em seguida encontra-se a diferença entre as médias dos

tratamentos, se a diferença entre as médias dos tratamentos for maior que o T

calculado então esses tratamentos são significativamente diferentes.

Para esta pesquisa utilizou-se o índice de significância igual a 0,05. Foram

encontrados os seguintes valores:

T = 56,46

diferença entre as médias

μsolo - μcana = 54,64

μsolo - μcafé = 13,32

μcana - μcafé = 67,96.

Analisando o valor T de referência e a diferença entre as médias dos tratamentos

observa-se um valor maior (67,96) que T; conclui-se então que são diferentes entre si os tratamentos cana e café.

5.5.2 Análise Cromatográfica

Nesta etapa buscou-se analisar a atmosfera da elevatória com outra metodologia.

Então foram feitas análises cromatográficas no ar da câmara e na saída de cada

biofiltro. Esta análise consistiu de duas coletas, sendo uma no 3º dia e a segunda no

9º dia de funcionamento dos biofiltros. A Tabela 5.20 mostra as concentrações

encontradas para os gases analisados. O resultado completo pode ser visto no

Anexo F.

Tabela 5.20- Resumo dos resultados da análise cromatográfica – etapa II.

Concentração (%)

Amostra Oxigênio (O2) Nitrogênio (N2) Gás Carbônico (CO2) 3º dia 10º dia 3º dia 10º dia 3º dia 10º dia

Câmara 21,53 21,51 78,42 78,43 0,04 0,05 Saída Solo 21,50 21,55 78,36 78,40 0,05 0,04 Saída Cana 21,52 21,52 78,36 78,31 0,11 0,09 Saída Café 21,50 21,51 78,00 78,39 0,04 0,09


___________________________________________________________________________

Para as amostras de ar da câmara e das saídas dos biofiltros de solo e de café não

foram verificadas diferenças nas concentrações dos gases nos dias analisados. O

mesmo aconteceu, em parte, com a amostra de ar da saída do biofiltro de cana, pois

observa-se uma diferença na concentração de gás carbônico entre os dias

analisados.

A concentração de CO2 na saída do biofiltro de cana ao 3º dia de funcionamento foi

10 vezes maior que nas outras amostras. Mesmo no 10º dia, esta concentração

ainda era levemente elevada. A análise cromatográfica confirma uma maior

liberação de CO2 pelo biofiltro de cana no período compreendido entre o 3º e o 10º

dia, período que coincide com o período de altas concentrações de H2S na saída do

biofiltro.

Quando, na seção 5.5.1, comenta-se o baixo desempenho do biofiltro de cana no

intervalo acima citado, atribui-se este baixo desempenho ao processo de

fermentação. Após a avaliação das análises cromatográficas, pôde-se confirmar que

o meio suporte deste biofiltro encontrava-se no processo natural de fermentação,

pois o gás carbônico é um dos principais subprodutos deste processo de digestão

dos microorganismos.

Durante a análise cromatográfica a presença de outros gases (metano, ácido

sulfídrico, hidrogênio, monóxido de carbono, etano, eteno e etino) foi avaliada,

contudo eles não foram encontrados. Isso não significa que esses gases não se

encontravam nas amostras analisadas, mas que possivelmente estavam em uma

concentração menor que a programada para leitura do aparelho utilizado.


Como já descrito anteriormente os biofiltros encontravam-se instalados em campo,

então considerou-se a temperatura ambiente no momento da medição como a

temperatura nos leitos. A Figura 5.24 ilustra o gráfico com as temperaturas máximas,

mínimas e horárias do ambiente no período correspondente a esta etapa.


___________________________________________________________________________

10

15

20

25

30

35

40

25/9 2/10 9/10 16/10 23/10 30/10Data

Tem

pera

tura

Am

bien

te (º

C)


Figura 5.24: Acompanhamento da temperatura no ambiente – etapa II.


Tabela 5.21- Resumo dos resultados de registro da temperatura ambiente – etapa II.


Média 28,4 21,1 26,4

Também nesta etapa a temperatura horária ficou mais próxima da máxima

observada. Os biofiltros trabalharam dentro da faixa ótima de temperatura para os

microorganismos.

5.6 Etapa III (Com coluna umidificadora, Cv= 0,73gH2S/m3.d, Tr= 25,12s)


O monitoramento de H2S dos três biofiltros é apresentado em gráficos do tipo

dispersão, onde é possível identificar a concentração de ácido sulfídrico na entrada

e na saída do aparato experimental (Figuras 5.25, 5.26 e 5.27).


___________________________________________________________________________

050

100150200250300350400450

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39

Dias

[H2S

] (pp

b)

Entrada Saída

Figura 5.25: Monitoramento de H2S no biofiltro de solo - etapa III.

050

100150200

250300350

400450

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39Dias

[H2S

] (pp

b)

Entrada Saída

Figura 5.26: Monitoramento de H2S no biofiltro de cana - etapa III.

050

100150200250300350400450

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39Dias

[H2S

] (pp

b)

Entrada Saída

Figura 5.27: Monitoramento de H2S no biofiltro de café - etapa III.

As falhas observadas nos gráficos 5.25, 5.26 e 5.27 ocorreram devido a um

problema de entupimento na rede de esgoto.

Ao longo dessa etapa, as concentrações de H2S nas saídas dos três biofiltros

mantiveram-se bem abaixo do limite de percepção do nariz humano para este gás.


___________________________________________________________________________



Tabela 5.22- Estatística descritiva da etapa III – resultados em ppb de H2S.




Nesta etapa os biofiltros apresentaram um desempenho muito semelhante, atingindo

uma eficiência de remoção próxima de 90%. Comparando-se esta etapa com a

anterior, percebe-se que o desempenho foi melhor mesmo com a diminuição do

tempo de residência.


gráficos (Figuras 5.28, 5.29, 5.30 e 5.31) que relacionam a carga volumétrica


y = 0,9277x - 0,0333R2 = 0,9775

0

0,5

1

1,5

2

0 0,5 1 1,5 2


Cv

rem

ovid

a (g

H2S

/m3 .d

)

Figura 5.28: Eficiência de remoção no biofiltro de solo - etapa III.


___________________________________________________________________________

y = 0,9439x - 0,0298R2 = 0,9924

0

0,5

1

1,5

2

0 0,5 1 1,5 2Cv aplicada (gH2S/m3.d)

Cv

rem

ovid

a (g

H2S

/m3 .d

)

Figura 5.29: Eficiência de remoção no biofiltro de cana - etapa III.

y = 0,9327x - 0,0149

R2 = 0,9928

0

0,5

1

1,5

2

0 0,5 1 1,5 2


Cv r

emov

ida

(gH

2S/m

3 .d)

Figura 5.30: Eficiência de remoção no biofiltro de café - etapa III.

0

0,5

1

1,5

2

0 0,5 1 1,5 2Cv aplicada (gH2S/m3.d)

Cv r

emov

ida

(gH

2S/m

3 .d)

Solo Cana Café

Figura 5.31: Eficiência de remoção nos três biofiltros - etapa III.

Os três biofiltros conseguiram remover praticamente toda a carga aplicada de H2S

no período avaliado. Eles não diferiram significativamente entre si como pode ser

observado no gráfico da Figura 5.30, onde as linhas de tendência dos biofiltros se

sobrepõem.


___________________________________________________________________________

Nesta etapa a carga volumétrica aplicada (Cv = 0,73 gH2S/m3.d) foi menor que a da

etapa II (Cv = 1,2 gH2S/m3.d). Pode-se inferir do gráfico apresentado na Figura 5.30

que os biofiltros apresentaram ótimo desempenho quando submetidos a baixas

cargas e que, nessas condições, o tempo de detenção pode ser diminuído para

25,12s sem prejuízo da eficiência de remoção do poluente.

A Figura 5.32 apresenta as tendências centrais e dispersão dos dados relativos ao

monitoramento da entrada e das três saídas.


400

300

200

100

0

Con

cent

raçã

o (p

pb)

Figura 5.32: Dispersão dos dados de concentração do H2S na entrada e saídas - etapa III.

Os resultados referentes à concentração no fluxo de entrada foram responsáveis

pelos maiores valores de dispersão. Os resultados relativos ao desempenho dos três

biofiltros indicam uma pequena dispersão dos dados com presença de um único

“outlier” na saída dos biofiltros de solo e de café, e três “outiliers” para a saída do

biofiltro de cana. A média encontra-se bem próxima da mediana nas três saídas.

Como pode-se notar no “box-plot” da Figura 5.31, a concentração de H2S na entrada

foi menor que a observada nas etapas anteriores, permanecendo numa faixa de 10

a 250ppb. Como conseqüência, a carga volumétrica aplicada na presente etapa foi

menor que a dos outros monitoramentos.


___________________________________________________________________________


A Figura 5.33 contém o gráfico com as temperaturas máximas, mínimas e horárias

do ambiente no período correspondente a esta etapa.

20

25

30

35

5/12 12/12 19/12 26/12 2/1 9/1Data

Tem

pera

tura

Am

bien

te (º

C)


Figura 5.33: Acompanhamento da temperatura ambiente – etapa III.


Tabela 5.23- Resumo dos resultados de registro da temperatura ambiente – etapa III.


Média 29,52 28,16 29,26

A temperatura horária praticamente se igualou à máxima observada, mantendo-se

dentro da faixa ótima para os microorganismos.

5.7 Etapa IV (Com coluna umidificadora, Cv= 4,04gH2S/m3.d, Tr= 12,56s)

5.7.1 Monitoramento do H2S O monitoramento dos três biofiltros é apresentado em gráficos do tipo dispersão,




___________________________________________________________________________

0100200300400500600700800900

1 5 9 13 17 21Dias

[H2S

] (pp

b)

Entrada Saída

Figura 5.34: Monitoramento de H2S no biofiltro de solo - etapa IV.

0100

200300400

500600700

800900

1 5 9 13 17 21Dias

[H2S

] (pp

b)

Entrada Saída

Figura 5.35: Monitoramento de H2S no biofiltro de cana - etapa IV.

0100200300400500600700800900

1 5 9 13 17Dias

[H2S

] (pp

b)

Entrada Saída

Figura 5.36: Monitoramento de H2S no biofiltro de café - etapa IV.

As falhas no gráfico referem-se aos dias em que o funcionamento da EE foi

comprometido e não houve emissão odorante.

Quanto à manutenção da concentração de H2S nas saídas dos biofltros abaixo do

limite de percepção do nariz humano, o único biofiltro que atendeu essa exigência

em 100% das observações realizadas foi o biofiltro de palha de café+lodo. Os

biofiltros de solo e cana mantiveram esse padrão em 87,5% e 75,0% das

observações, respectivamente.


___________________________________________________________________________



Tabela 5.24- Estatística descritiva da etapa IV – resultados em ppb de H2S.




A Figura 5.37 apresenta as tendências centrais e dispersão dos dados relativos ao

monitoramento da entrada e das três saídas.


900

800

700

600

500

400

300

200

100

0

Conc

entr

ação

(pp

b)

Figura 5.37: Dispersão dos dados de concentração do H2S na entrada e saídas - etapa IV.

Os resultados referentes à concentração no fluxo de entrada foram, novamente,

responsáveis pelos maiores valores de dispersão. Os resultados relativos ao

desempenho dos três biofiltros indicam uma maior dispersão dos dados na saída

dos biofiltros de solo e cana. Um “outilier” foi verificado na saída do biofiltro de café

Em comparação com a etapa III, as saídas dos três filtros apresentaram-se mais

dispersas. Isso quer dizer que os biofiltros não conseguiram tratar homogeneamente

o fluxo de ar. A média encontra-se mais distante da mediana nas saídas de solo e

café.


___________________________________________________________________________


gráficos (Figuras 5.38, 5.39, 5.40 e 5.41) que relacionam a carga volumétrica


y = 0,7202x + 0,1426R2 = 0,9172

0

1

2

3

4

5

6

7

0 2 4 6 8


Cv

rem

ovid

a (g

H2S

/m3 .d

)

Figura 5.38: Eficiência de remoção no biofiltro de solo - etapa IV.

y = 0,6991x + 0,1289R2 = 0,8709

0

1

2

3

4

5

6

7

0 1 2 3 4 5 6 7 8Cv aplicada (gH2S/m3.d)

Cv

rem

ovid

a (g

H2S

/m3 .d

)

Figura 5.39: Eficiência de remoção no biofiltro de cana - etapa IV.

y = 0,9376x - 0,3374R2 = 0,961

012345678

0 1 2 3 4 5 6 7 8


Cv

rem

ovid

a (g

H2S

/m3 .d

)

Figura 5.40: Eficiência de remoção no biofiltro de café - etapa IV.


___________________________________________________________________________

Verifica-se uma alta remoção da carga aplicada, mesmo para valores acima de

4gH2S/m3.d. Os biofiltros de solo e cana se comportaram de maneira semelhante,

enquanto o biofiltro de café obteve desempenho melhor.


Como já descrito anteriormente os biofiltros encontravam-se instalados em campo,

então considerou-se a temperatura ambiente no momento da medição como a

temperatura nos leitos. A Figura 5.42 ilustra o gráfico com as temperaturas máximas,

mínimas e horárias do ambiente no período correspondente a esta etapa.

20

25

30

35

40

14/1 17/1 20/1 23/1 26/1 29/1 1/2Data

Tem

pera

tura

Am

bien

te (º

C)


Figura 5.42: Acompanhamento da temperatura ambiente – etapa IV.

0

1

2

3

4

5

6

7

8

0 1 2 3 4 5 6 7 8Cv aplicada (gH2S/m3.d)

Cv re

mov

ida

(gH

2S/m

3 .d)

Solo Cana Café

Figura 5.41: Eficiência de remoção nos três biofiltros - etapa IV.


___________________________________________________________________________


Tabela 5.25- Resumo dos resultados de registro da temperatura ambiente – etapa IV. Temperaturas (ºC) Máxima Mínima Horária

Média 28,5 27,3 28,0

Também nesta etapa a temperatura horária ficou mais próxima da máxima

observada. Os biofiltros trabalharam dentro da faixa ótima de temperatura.

5.8 Monitoramento das Colunas Umidificadoras

O objetivo de implantar as colunas umidificadoras foi de umedecer o fluxo de ar, a

fim de assegurar que elas não influenciariam na remoção do ácido sulfídrico. A

Figura 5.43 apresenta um gráfico onde podem ser vistas as concentrações de H2S

no fluxo de entrada e da saída das três colunas, antes da entrada dos biofiltros.

0100200300400500

600700800900

1000

10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34 36 38Dia

[H2S

] (pp

b)

Entrada coluna Saída coluna solo Saída coluna cana Saída coluna café

Figura 5.43: Concentração de H2S na entrada e nas saídas das colunas umidificadoras -

etapa II Ao observar o gráfico, fica difícil distinguir as linhas das quatro séries representadas,

o que significa que não há diferença significativa entre a concentração que entra na

coluna e a que sai. Assim, pode-se afirmar que as colunas exerciam apenas a

função de umedecer o fluxo de ar.


___________________________________________________________________________

Outro indicativo da eficiência das colunas de água foi a perda do volume contido no

tubo. Aproximadamente metade (2L) do volume presente na coluna era perdido e

reposto com a freqüência de 10 dias. O fluxo de ar saía então com teor de umidade

acima de 95%.

Também avaliou-se a presença de sulfeto e ácido sulfídrico dissolvidos na água das

colunas umidificadoras (Tabela 5.26). As concentrações encontradas são muito

baixas, confirmando que não houve perda do poluente durante a passagem pela

coluna de água.

Tabela 5.26- Análise de sulfeto na água das colunas. Coluna umidificadora S= (mg/L) H2S (mg/L)

Solo 0,240 0,240 Cana 0,160 0,160 Café 0,260 0,260

A partir dessas análises, pode-se afirmar que, se houve dissolução do sulfeto

gasoso para a água das colunas, este fenômeno não influenciou no funcionamento e

conseqüente desempenho dos biofiltros.

Em outras etapas desta pesquisa também foram feitas avaliações da coluna

umidificadora e o comportamento encontrado foi idêntico ao descrito nesta seção

para a etapa II.

5.9 Avaliação do desempenho dos biofiltros nas diferentes cargas aplicadas

Foram construídos gráficos considerando todas as medições feitas para visualizar o

comportamento dos biofiltros ao longo desta pesquisa (Figuras 5.43, 5.45 e 5.47).

São apresentados também gráficos que relacionam a carga aplicada com a

concentração do poluente na saída dos biofiltros (Figuras 5.44, 5.46 e 5.48).


___________________________________________________________________________

y = 0,7541x + 0,0966

R2 = 0,9603

0

2

4

6

8

0 2 4 6 8

C arg a aplicada (gH2S /m3.d)

Carga removida (gH

2S/m

3 .d)

E tapa I E tapa II E tapa III E tapa IV

0

100

200

300

0 2 4 6 8

C arga aplicada (gH2S /m3.d)

Conce

ntraç

ão na sa

ída (ppb) E tapa I E tapa II E tapa III E tapa IV

Figura 5.44: Eficiência de remoção com todas as etapas – filtro de solo.

Figura 5.45: Relação da carga aplicada e da concentração de H2S na saída – filtro de solo.

y = 0,7253x + 0,056

R 2 = 0,9341

0

2

4

6

8

0 2 4 6 8


Carga removida (gH

2S/m

3 .d)


0

100

200

300

400

500

0 2 4 6 8

C arga aplicada (gH2S /m3.d)

Conce

ntraç

ão na sa


Figura 5.46: Eficiência de remoção com todas as etapas – filtro de cana.

Figura 5.47: Relação da carga aplicada e da concentração de H2S na saída – filtro de cana.

y = 0,8915x ‐ 0,0621

R 2 = 0,9725

0

2

4

6

8

0 2 4 6 8


Carga removida (gH

2S/m

3 .d)


0

100

200

300

400

500

0 2 4 6 8


Conce

ntraç

ão na sa


Figura 5.48: Eficiência de remoção com todas as etapas – filtro café.

Figura 5.49: Relação da carga aplicada e da concentração de H2S na saída – filtro de café.

Considerando a eficiência de cada filtro em cada uma das etapas e calculando-se

uma média, tem-se que a remoção de H2S foi acima de 85,0% para o biofiltro de

solo, acima de 78% para o biofiltro de cana e acima de 83% para o biofiltro de café.


___________________________________________________________________________

Outra informação a ser destacada é que os biofiltros de solo e cana apresentaram

perda na eficiência de remoção quando a carga volumétrica aplicada foi maior que

3,0gH2S/m3.d, como pode ser visto pela posição dos pontos da etapa IV nos gráficos

5.43 e 5.45. Então, para eficiente remoção nesses casos o tempo de residência

deve ser maior que o avaliado nesta pesquisa (37,7s). Com relação ao tempo de

detenção para cargas até 3,0gH2S/m3.d, este pode ser reduzido para 25,12s sem

perda da eficiência de remoção do poluente.

O biofiltro de café conseguiu remover H2S de forma satisfatória, mesmo quando a

carga aplicada esteve entre 3 e 8. Deve-se ressaltar a ocorrência de dois picos

ocorrendo na etapa I.

5.10 Comparação com outros trabalhos

Para melhor visualizar o significado dos resultados encontrados por esta pesquisa

elaborou-se uma Tabela (Tabela 5.27) com os dados dessa pesquisa e de outros

trabalhos.


___________________________________________________________________________

Tabela 5.27: Desempenho desta pesquisa e de outros trabalhos.

Pesquisa Material Filtrante

Eficiência de Remoção (%)

Condições Operacionais Observação

Belli Filho, 2000 Turfa orgânica natural 76-81

TS= 25/32 m3/m2h Taparente= 70/55 s C0 = 1,2.10-5 / 3,1.10-4 mg/m3

Tratou biogás de tanque séptico. Ensaio em campo.

Van Langehove, 2006

lixo orgânico + dolomita

>95 Q = 33 L/min Taparente= 36 s Cv = 134–607

H2S proveniente de cilindro (sintético). Ensaio de bancada.

Yang e Allen, 1994 Resíduos de várias fontes

>99 Taparente > 15 s Cv = 332-5544 g/m3.d


Morgan-Sagastume, 2005 Composto 80-100

TS = 74 m3/m2/d Q =10/70 L/min Taparente = 50 s Cv = 168 g/m3.d


Hartikaien, 2000 Mistura de turfas 95 Taparente = 29 s

Cv = 15,4 g/m3.d Coletou ar de ETE e biofiltrou acrescido de H2S sintético.

Galera, 2007 Composto + inóculo 100

Taparente = 25 s Q =10 L/min Cv = 12-28,8 g/m3.d

H2S proveniente de solução de Na2S. Ensaio de bancada.

Esta Pesquisa – Etapa I

Solo 91,0 TS= 114,6 m3/m2.h Taparente= 37,7s Q= 15L/min Cv = 1,07 g/m3.d

Tratou biogás de estação elevatória. Ensaio em campo.

Cana 73,0 Café 66,0

Esta Pesquisa – Etapa II



Esta Pesquisa – Etapa III

Solo 89,0 TS= 114,6 m3/m2.h Taparente= 25,12s Q= 15L/min Cv =0,73 g/m3.d


Esta Pesquisa – Etapa IV



Legenda:TS = taxa superficia; Taparente= tempo de detenção aparente; Q= vazão de entrada de ar; Cv = carga volumétrica aplicada de poluente (g/m3.d); C0 = concentração de entrada.

Analisando a Tabela 5.27, pode-se verificar que os resultados alcançados por esta

pesquisa, que utilizou materiais residuais comuns e abundantes no Brasil, podem

ser comparados aos obtidos na literatura mundial. Deve-se salientar que, em sua

maioria, as pesquisas com biofiltros são feitas em laboratório, ou seja, com um

controle de todas as variáveis que podem influenciar no seu desempenho.

Esta pesquisa foi realizada em campo, com biofiltros instalados na área da ETE, por

isso, sujeitos às variações climatológicas e também ao bom funcionamento da

estação elevatória.


____________________________________________________________________________________________________________________

5.11 Alterações nos Materiais Filtrantes

As alterações da composição físico-química dos materiais suporte durante o funcionamento dos biofiltros são apresentadas na

Tabela 5.28.

Tabela 5.28 – Alterações dos materiais entre as etapas da pesquisa.

Amostra Etapa da Pesquisa pH ST

(%) M.O. (%)

P (%)

C (%)

N (%) C/N

Granulometria Pedregulho

Grosso Pedregulho

Fino Areia

Grossa Areia Média

Areia Fina Finos

Solo

Análise Prévia 6,94 79,1 9,50 47,0 10,71 0,47 23,0 - - - - - - Final Etapa I 6,74 97,4 - - - - - - - - - - - Início Etapa II 6,78 81,1 6,58 47,0 10,71 0,47 23,0 0 27,87 22,19 32,84 17,08 0 Final Etapa II 7,18 93,0 11,00 50,0 7,28 0,39 19,0 0 6,49 7,60 35,96 41,55 8,39 Final Etapa III 7,46 91,0 8,90 51,0 9,10 0,20 45,5 0 5,27 9,37 38,86 39,41 7,07 Final Etapa IV 6,76 93,6 6,84 42,0 7,58 0,24 31,6 0 4,04 10,4 41,90 37,97 5,69

Bagaço de Cana

Análise Prévia 5,74 49,7 97,49 85,0 44,39 0,21 211,0 - - - - - - Final Etapa I 4,45 92,0 - - - - - - - - - - - Início Etapa II 2,88 49,8 99,73 85,0 44,39 0,21 211,0 0 34,05 61,08 3,37 0,72 0 Final Etapa II 4,73 86,0 98,00 76,0 36,41 0,27 133,0 0 81,71 12,5 3,95 1,81 0 Final Etapa III 5,94 53,0 97,00 75,0 46,97 0,29 161,6 0 92,69 5,00 1,60 0,71 0 Final Etapa IV 5,59 86,4 97,70 70,0 43,94 0,30 146,5 89,67 8,06 1,45 0,80 0

Palha de Café +

Lodo

Análise Prévia 3,40 77,1 93,0 97,0 48,98 2,02 24,0 - - - - - - Final Etapa I 7,10 90,0 - - - - - - - - - - - Início Etapa II 5,34 85,9 85,78 97,0 48,98 2,02 24,0 0 50,60 46,48 2,91 0 0 Final Etapa II 7,00 88,0 91,00 90,0 37,86 2,40 16,0 0 45,84 39,3 13,07 1,78 0 Final Etapa III 7,62 84,0 91,00 92,0 43,94 1,51 29,1 0 60,76 34,14 2,28 0,13 2,69 Final Etapa IV 7,50 84,0 92,80 91,0 42,42 1,93 21,9 0 59,69 38,69 1,62 0 0


___________________________________________________________________________

De forma geral, o pH do bagaço de cana apresentou-se sempre mais ácido do que

os outros materiais; mas todos os materiais mostraram uma tendência em manter

seu pH na faixa neutra.

A etapa I serviu principalmente para indicar o comportamento dos materiais dentro

do biofiltro. A perda de umidade pelo material, nesta etapa, foi muito grande e a

partir desta informação decidiu-se inserir a coluna umidificadora, que funcionou

como ferramenta para conter a perda de água pelos materiais.

Comparando-se a porcentagem de sólidos durante a etapa II com os resultados da

etapa I, pode-se afirmar que a inserção da coluna umidificadora foi essencial para

manutenção das condições ótimas dos materiais.

Quanto ao parâmetro de Matéria Orgânica, não houve diferença significativa entre

as etapas, mas, analisando os valores de solo e palha de café+lodo, percebe-se um

leve aumento do início da etapa II paras as seguintes.

Em relação ao acompanhamento da Porosidade, pode-se observar que houve uma

pequena variação entre as etapas, ficando o solo numa faixa entre 42-50, a cana de

70-85 e o café entre 90-97. É possível, inclusive, que essa variação seja decorrente

da amostragem.

Os resultados obtidos para os nutrientes analisados são muito próximos dos

encontrado por Matos (1998), como pode ser visto na Tabela 5.29.

Tabela 5.29 – Teor de C e N encontrados por Matos (1998). Amostra Carbono (%) Nitrogênio (%) C/N

Bagaço de Cana 48,9 0,76 64,4 Palha de Café 52,9 1,47 36,0

Os fertilizantes orgânicos possuem valores desejáveis para sua aplicação na

agricultura, segundo Kiehl (1985) se a relação C/N estiver entre 15 e 45 classifica-se

como bom, caso em que se enquadram o solo e a palha de café, e se esta relação

estiver acima de 45 considera-se indesejável, que é o caso do bagaço de cana.


___________________________________________________________________________

A análise granulométrica ao longo desta pesquisa foi feita para acompanhar

significativas alterações da forma física dos materiais, e a modificação mais visível

ocorreu durante a etapa I. Comparando-se os valores do início e do fim da etapa I,

pode-se perceber o aparecimento de uma maior porção de partículas finas (areia

fina e finos) em todos os materiais.

A partir da etapa I as variações observadas não são significativas e podem ser

atribuídas a amostragem.

6. Conclusões 131

___________________________________________________________________________

6. Conclusões

• A taxa de emissão na Estação Elevatória da ETE-UFES foi medida com a

metodologia de câmara de fluxo, e o valor médio encontrado foi de 0,6mg/m2.d.

• A taxa de emissão foi estimada através do modelo matemático GPC e

comparada com os valores medidos pela metodologia de câmara de fluxo. O modelo

matemático forneceu valores da ordem de 10 vezes maiores que os encontrados

pela metodologia da câmara de fluxo.

• Os resíduos analisados (solo, cana e palha de café+lodo) possuem as

características físico-químicas necessárias para utilização como meio suporte de

biofiltros.

• A eficiência de remoção dos biofiltros foi avaliada através da diferença de

concentração de H2S na entrada e na saída dos mesmos. Quando submetidos a

uma carga média de 1,07gH2S/m3.d e tempo de detenção de 37,68s, a eficiência de

remoção alcançada foi de 91, 73 e 66% respectivamente para os biofiltros de solo,

cana e café. Esses resultados referem-se ao sistema sem umidificação.

• Segundo o teste estatístico ANOVA os biofiltros de solo, cana e café não se

diferiram significativamente quando submetidos a uma carga média de

1,07gH2S/m3.d e tempo de detenção de 37,68s.

• Em uma segunda etapa da pesquisa a carga aplicada de poluente foi

aumentada. A eficiência de remoção dos biofiltros, quando submetidos a uma carga

média de 1,2gH2S/m3.d e tempo de detenção de 37,68s, foi de 88, 79 e 90%

respectivamente para os filtros de solo, cana e café. Nesta etapa, os biofiltros

trabalharam com uma coluna umidificadora associada, formando um sistema de

umidificação dos leitos

• Segundo o teste estatístico ANOVA os biofiltros de cana e café se diferiram

significativamente durante a etapa II, quando foram submetidos a uma carga média

de 1,2gH2S/m3.d e tempo de detenção de 37,68s.

• Numa terceira etapa carga de poluente foi aumentada e o tempo de detenção

reduzido. Nesta etapa a eficiência de remoção dos biofiltros, quando submetidos a

uma carga média de 0,73gH2S/m3.d e tempo de detenção de 25,12s, foi de 89, 91 e

6. Conclusões 132

___________________________________________________________________________

91% respectivamente para os filtros de solo, cana e café. O sistema umidificador

continuou atuando.

• Ao fim da etapa III foi aplicado o teste estatístico ANOVA. Segundo esse teste

os biofiltros não se diferenciaram significativamente quando submetidos a uma carga

média de 0,7gH2S/m3.d e tempo de detenção de 25,12s.

• Uma última avaliação dos biofiltros foi feita, constituindo a etapa IV, com

carga do poluente maior que a da etapa III, o tempo de detenção menor que o da

etapa III e manutenção do sistema umidificador. A eficiência de remoção dos

biofiltros, nessa etapa, submetidos a uma carga média de 4,04gH2S/m3.d e tempo de

detenção de 12,56s, foi de 74, 71 e 88% respectivamente para os filtros de solo,

cana e café.

• Após a instalação da coluna umidificadora o biofiltro de palha de café obteve

desempenho melhor que os biofiltros de cana e solo.

• Ao longo do período dessa pesquisa os biofiltros trabalharam em faixa de

temperatura ótima (20-35ºC) para os microorganismos.

• Durante a etapa II foram coletadas amostras gasosas da entrada e da saída

dos biofiltros a fim de realizar análise cromatográfica. O H2S não foi detectado pelo

equipamento, pois se encontrava em concentração abaixo da calibração do

aparelho. Ainda assim, a análise de cromatografia gasosa confirmou a produção de

CO2 na biofiltro de cana, reforçando a hipótese de que este resíduo estava passando

por processo de fermentação.

• Considerando todas as cargas volumétricas aplicadas durante este trabalho, a

eficiência média de remoção foi de 85,5% para o filtro de solo, 78,5% para o de cana

e 83,7% para o de café.

• A inserção da coluna umidificadora contribuiu para um aumento da eficiência

de remoção do H2S nos biofiltros.

• As colunas umidificadoras não influenciaram na remoção do ácido sulfídrico. e

melhoraram o desempenho dos biofiltros.

• Não foram observadas alterações significativas nos materiais ao longo da

pesquisa.

• Os três materiais analisados por esta pesquisa podem ser utilizados como

leito filtrante em biofltros desodorizadores.

7.Recomendações 133

___________________________________________________________________________

7. Recomendações

• Avaliar a taxa de emissão observada com outras metodologias de medição

direta.

• Avaliar o desempenho de um biofiltro preenchido com bagaço de cana 10 dias

após a moagem do caule, para evitar o processo de fermentação dentro do filtro.

• Acompanhar a população microbiana dentro dos biofiltros.

• Avaliar o tempo de vida útil dos materiais como leito de biofiltro.

8. Referências Bibliográficas 134

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8. Referências Bibliográficas

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WU, G.; CHABOT, J. C.; CARON, J. J. ; HEITZ, M. Biological elimination of Volatile

Organic Compounds from Waste Gases in a Biofilter. Water, Air and Soil Pollution,

101, p:69-78, 1998.

YANG, Y. e ALLEN, E. R. Biofiltration Control of Hydrogen Sulfide 1. Design and

Operation Parameters. Air & Waste Management Association, v.44, p.863-868,

1994.

YUMONO, A. S.; LAMMERS, P. S. Odor Pollution in the Environment and the

Detection Instrumentation. Agricultural Engineering International: the CIGR Journal of Scientific Research and Development, vol 4, July, 2004.

9.Anexos 143

___________________________________________________________________________

Anexo A Seqüência de equações descritas por Gostelow et al (2001) para estimar a taxa de

emissão em quedas d’água. A taxa de emissão (Rv) é dada pela equação A.1, dada

em miligramas por segundo (mg.s-1).

Equação A.1

Onde;

C0 = concentração (g/m3) do contaminante no afluente,

Q = vazão do líquido (m3/s);

r = dado pela equação A.2.

Equação A.2

Onde;

Equação A.3

e

Equação A.4 Onde;

DL,i = representa a difusividade molecular do H2S na água (cm2/s),

DL,O2 = representa a difusividade molecular do O2 na água (cm2/s),

KG/KL = coeficientes de transferência de massa (m/s) das fases líquida e gasosa

respectivamente. Nesta pesquisa considerou-se igual a 1,75,

Hc = constante da lei de Henry para o H2S (m3líq/m3

gasoso), dado pela equação A.5.;

Equação A.5

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛ −−=

rQCRv

11.0

( ) ψ2Orr =

( )139,0784,0731,0exp2

−= QZrO

1

,

,

/.11

2

−

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡+⎟

⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛=

LGc

n

OL

iL

KKHDD

ψ

RTHHc =

9.Anexos 144

___________________________________________________________________________

Sendo:

R = constante universal dos gases (8,2.10-5 atm.m3.mol-1.K-1),

T = temperatura do esgoto em Kelvin,

H = constante da lei de Henry nas CNTP (0,023 atm.m3.mol-1).

9.Anexos 145

___________________________________________________________________________

Anexo B Teste da Porosidade Porosidade de um material é a relação entre o volume de vazios e o volume total

ocupado pelo material; geralmente é expresso em porcentagem. A porosidade está

em relação íntima com a granulometria e com a forma dos grãos (GARCEZ, 1988).

- Procedimento Em um recipiente de volume total conhecido (Vt) coloca-se cuidadosamente o

material desejado. Este deve ser inserido da mesma forma (picado, inteiro,

pulverizado,...) que foi utilizado no experimento. Deve-se tomar cuidado para não

pressionar o material no recipiente, pois isto pode fornecer uma medição falsa do

volume ocupado.

Em seguida, adiciona-se água lentamente no recipiente de forma que a água ocupe

os espaços vazios deixados pelo material. A água deve ser adicionada com o auxílio

de uma proveta para se quantificar o volume gasto (Vv).

Por fim, através da equação:

encontra-se a porosidade (P).

t

v

VVP =

9.Anexos 146

___________________________________________________________________________

Anexo C

Tabela: Dados do estudo de comparação da taxa de emissão observada e estimada na estação elevatória. GPC Observado

Vazão esgoto

Temperatura esgoto [H2S]líquido

Taxa de emissão [H2S]gasoso

Temperatura câmara [H2S]gasoso

Taxa de emissão Erro relativo

n Data L/s ºC K (mg/L) (mg/s) (ppm) ºC K (mg/L) (mg/s) (%) 1 9/8 0,03 27 300,15 0,853 0,00197 0,069 33 306,15 0,00009 0,00007 2708,26

2 10/8 0,38 26 299,15 0,853 0,01774 0,55 28,5 301,65 0,00076 0,00057 3029,85 3 15/8 0,18 26 299,15 0,827 0,00901 0,497 39 312,15 0,00066 0,00049 1719,91 4 22/8 0,045 27 300,15 0,933 0,00306 0,385 35 308,15 0,00052 0,00039 686,99 5 24/8 0,02 25 298,15 0,707 0,00115 0,315 37 310,15 0,00042 0,00032 264,22 6 28/8 0,02 26 299,15 0,693 0,00113 0,329 37,5 310,65 0,00044 0,00033 241,95 7 28/9 0,04 27 300,15 0,507 0,00150 0,52 41 314,15 0,00069 0,00051 191,48 8 5/10 0,13 26 299,15 0,84 0,00690 0,57 45 318,15 0,00074 0,00056 1139,56 9 8/10 0,029 30 303,15 0,507 0,00113 0,375 43 316,15 0,00049 0,00037 206,73 10 9/10 0,05 30 303,15 0,827 0,00296 0,59 37 310,15 0,00079 0,00059 400,10 11 18/10 0,11 31 304,15 0,773 0,00546 0,524 32 305,15 0,00071 0,00053 923,64 12 19/10 0,03 30 303,15 0,933 0,00214 0,754 32 305,15 0,00102 0,00077 179,04 13 23/10 0,023 29 302,15 0,747 0,00136 0,15 36 309,15 0,00020 0,00015 804,86 14 25/10 0,11 30,5 303,65 1,8 0,01273 0,8 31 304,15 0,00109 0,00082 1457,12 15 29/10 0,18 31 304,15 1,067 0,01155 0,71 35 308,15 0,00095 0,00072 1512,67 16 30/10 0,16 31 304,15 0,52 0,00508 0,188 37 310,15 0,00025 0,00019 2597,95 17 1/11 0,25 32 305,15 0,813 0,01168 0,73 40 313,15 0,00097 0,00072 1511,76

Média 0,8353 0,0057 0,0005 1151,54 Variância 0,0855 2,61E-05 4,84E-08 877981,01 Desvio Pad. 0,2924 0,0051 0,0002 937,01 Máximo 1,800 0,0177 0,0008 3029,86 Mínimo 0,5070 0,0011 0,0001 179,05

9.Anexos 147

___________________________________________________________________________

Anexo D Curvas granulométricas dos materiais filtrantes. • Início Etapa II

Curva Granulométrica

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,010,1110100

Diâmetro em mm

Perc

enta

gem

que

Pas

sa

Amostra - solo

Curva granulométrica do solo.


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,010,1110100

Diâmetro em mm

Perc

enta

gem

que

Pas

sa

Amostra - Cana

Curva granulométrica da cana picada.


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,010,1110100

Diâmetro em mm

Perc

enta

gem

que

Pas

sa

Amostra - café

Curva granulométrica da palha de café.

9.Anexos 148

___________________________________________________________________________

• Final Etapa II


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,010,1110100

Diâmetro em mm

Perc

enta

gem

que

Pas

sa

Solo



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,010,1110100

Diâmetro em mm

Perc

enta

gem

que

Pas

sa

Cana



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,010,1110100

Diâmetro em mm

Perc

enta

gem

que

Pas

sa

Café


9.Anexos 149

___________________________________________________________________________

• Final Etapa III


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,010,1110100

Diâmetro em mm

Perc

enta

gem

que

Pas

sa

Solo



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,010,1110100

Diâmetro em mm

Perc

enta

gem

que

Pas

sa

Cana



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,010,1110100

Diâmetro em mm

Perc

enta

gem

que

Pas

sa

Café


9.Anexos 150

___________________________________________________________________________

• Final Etapa IV


0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,010,1110100

Diâmetro em mm

Perc

enta

gem

que

Pas

sa



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,010,1110100

Diâmetro em mm

Perc

enta

gem

que

Pas

sa



0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0,010,1110100

Diâmetro em mm

Perc

enta

gem

que

Pas

sa


9.Anexos 151

___________________________________________________________________________

Anexo E Gráficos da Eficiência de remoção do H2S – Etapa I.

0

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21

Dia

Efic

iênc

ia d

e re

moç

ão (%

)

Biofiltro de Solo

0

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21

Dias

Efic

iênc

ia d

e Re

moç

ão (%

)

Biofiltro de Cana

0

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21

Dia

Efic

iênc

ia d

e R

emoç

ão (%

)

Biofiltro de Café

9.Anexos 152

___________________________________________________________________________

Gráficos da Eficiência de remoção do H2S – Etapa II.

Biofiltro de Solo

Biofiltro de Cana

Biofiltro de Café

9.Anexos 153

___________________________________________________________________________

Gráficos da Eficiência de remoção do H2S – Etapa III.

0

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39

Dia

Efic

iênc

ia d

e re

moç

ão (%

)

Biofiltro de Solo

0

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39

Dia

Efic

iênc

ia d

e R

emoç

ão (%

)

Biofiltro de Cana

0

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39

Dia

Efic

iênc

ia d

e Re

moç

ão (%

)

Biofiltro de Café

9.Anexos 154

___________________________________________________________________________

Gráficos da Eficiência de remoção do H2S – Etapa IV.

0

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

Dia

Efic

iênc

ia d

e re

moç

ão (%

)

Biofiltro de Solo

0

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19

Dias

Efic

iênc

ia d

e Re

moç

ão (%

)

Biofiltro de Cana

0

20

40

60

80

100

1 3 5 7 9 11 13 15 17 19Dia

Efic

iênc

ia d

e Re

moç

ão (%

)

Biofiltro de Café

9.Anexos 155

___________________________________________________________________________

Anexo F Gráficos da análise cromatográfica – 1º Semana.

Cromatografia gasosa da atmosfera da câmara.

Cromatografia gasosa da saída do biofiltro de solo.

Cromatografia gasosa da saída do biofiltro de cana.

Cromatografia gasosa da saída do biofiltro de café.

9.Anexos 156

___________________________________________________________________________

Gráficos da análise cromatográfica – 2º Semana.

Cromatografia gasosa da atmosfera da câmara.

Cromatografia gasosa da saída do biofiltro de solo.

Cromatografia gasosa da saída do biofiltro de cana.

Cromatografia gasosa da saída do biofiltro de café.

universidade federal do espÍrito santo centro...

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